太赫兹波在我们的日常生活中无处不在，如果能够将这些能量汇集起来，它就能够作为一种替代能源供我们使用。例如，想象一下有这么一个手机附件，它可以被动吸收周围的T射线并将之转化成电量为手机充电。 （图片来源：R José-Luis Olivares，麻省理工学院）
任何发出Wi-Fi信号的设备也同样会发出太赫兹波（属于电磁波，其频率介于微波和红外光之间，也称为“T射线”）。几乎所有存在温度的物体都会产生这种高频辐射波，例如我们自己的身体以及我们周围的无生命物体。
太赫兹波在我们的日常生活中无处不在，如果能够将这些能量汇集起来，就能够作为一种替代能源供我们使用。例如，想象一下有这么一个手机附件，它可以被动吸收周围的T射线并将之转化成电量为手机充电。但是，迄今为止，太赫兹波依旧是一种不可利用的能量，因为还没有切实可行的方法将其捕获并转换为任何可用形式的能量。
现在，麻省理工学院的物理学家们提出了一种设备的设计蓝图，他们相信这种设备能够将周围的太赫兹波转换成直流电，这种直流电可以为很多家用电子设备供电。
他们的设计利用了量子力学，也就是碳材料石墨烯的原子行为。他们发现，通过将石墨烯与另一种材料（在这种情况下为氮化硼）结合，石墨烯中电子的运动将会向一个共同的方向倾斜。就像是存在很多微小的空中交通管制员一样，任何入射的太赫兹波都将“穿梭传输”石墨烯电子，使其作为直流电沿单一方向流经材料。
研究人员在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究结果，并且正在与实验者合作，将他们的设计变成一种物理设备。
“我们被太赫兹波段的电磁波所包围，”麻省理工学院材料研究实验室的博士后，同时也是论文的第一作者Hiroki Isobe说道，“如果我们能够将这种能量转换成可用于日常生活的能源，那将有助于解决我们目前面临的能源挑战。”
打破石墨烯的对称性
在过去的十年中，科学家一直在寻找各种方法来收集环境中的能量并将其转换为可用电能。他们主要是通过整流器来实现这一构想的，这种设备能够将电磁波从振荡（交流）电流转换为直流电。
大多数整流器是被设计用来转换诸如无线电波之类的低频波，它们利用带有二极管的电路来产生一个电场，可将通过该设备的无线电波转换成直流电。这些整流器只能在特定频率下工作，无法适用于太赫兹范围。
少数几种能够将太赫兹波转换为直流电的实验技术只能在超低温度下完成，这些要求在实际应用中很难实现。
Isobe并没有通过在设备中施加外部电场的方式来将电磁波转换为直流电，而是想知道是否可以在量子力学层面上感应出材料自身的电子，并让它们向一个方向流动，以便将进入的太赫兹波转换为直流电。
为了使材料中的电子流过同时又不在材料中产生不规则的散射，这种材料必须非常干净，没有杂质。他发现石墨烯正是理想的原材料。
这张示意图来自于研究人员的论文：绿色正方形代表了石墨烯（它在另一种正方形材料的上方）；红线代表太赫兹波；蓝色三角形代表围绕正方形的天线（捕获太赫兹波并将波聚焦到正方形）。 （图片来源：麻省理工学院）
为了使石墨烯的电子朝一个方向流动，他必须打破材料固有的对称性（也就是物理学家所谓的“反演”）。通常，石墨烯的电子在它们之间会受到相等的力，这意味着任何传入的能量都会使电子对称地向各个方向散射。
通过查阅文献，他发现其他人将石墨烯放在氮化硼层上进行了实验，氮化硼是由硼和氮两种的原子构成类似蜂窝状晶格。他们发现，在这种排列方式中，石墨烯电子之间的力失去平衡：靠近硼的电子感受到一定的力，
Isobe进行了系统的理论研究，了解了在有氮化硼之类基底情况下石墨烯电子散射的所有情况，以及这种电子散射将如何影响任何传入的电磁波，尤其是在太赫兹波段的入射电磁波。
他发现电子受到入射太赫兹波的驱动而向一个方向倾斜，如果石墨烯相对纯净，这种倾斜运动会产生直流电。如果石墨烯中真的存在大量杂质，它们将成为电子云运动路径上的阻碍，导致这些电子云向各个方向散射，而不是向同一方向散射。
“由于存在许多杂质，这种偏斜运动最终会变成振荡，并且任何传入的太赫兹能量都会通过这种振荡而损失掉，”Isobe解释道，“因此，我们希望使用纯净的样品来获得有效的偏斜运动。”
一个方向
他们还发现，传入的太赫兹波能量越强，设备可以转换直流电的能量就越多。这意味着所有用于T射线转换的设备还应该有一个用于汇聚这些入射光波的方法。
考虑到所有这些因素，研究人员提出了太赫兹整流器的蓝图，这种整流器由一个正方形的石墨烯（石墨烯层位于氮化硼基底上）夹在天线中间，像三明治一样排列着。这些天线能够收集并汇聚环境中的太赫兹辐射并增强它的信号以便将其转换成直流电。
Fu说：“除了利用的频率范围不同外，这将非常类似于太阳能电池——以被动方式收集和转换环境能量。”
该团队已为新的“高频整流”设计申请了专利，研究人员正在与麻省理工学院的实验物理学家合作，根据他们的设计开发一种物理设备，这种设备将能够在室温下工作，而不是原先的太赫兹整流器和探测器所需的超冷环境。
Isobe说：“如果设备能在室温下工作，我们就可以将它运用到许多便携式应用场景中。”
他设想在不久的将来，太赫兹整流器可能会被应用到譬如利用无线方式为患者体内的植入物供电，而无需进行手术来更换植入物的电池。这一类设备还可以通过转换周围的Wi-Fi信号，为笔记本电脑和手机等个人电子设备充电。
“我们找到了一种在原子尺度上具有不对称性的量子材料，这种材料现在就可以被利用，这带来了新的可能性。”Fu说。
作者：Jennifer Chu
翻译：邱家曦
审校：戴晨
引进来源：麻省理工学院
京公网安备11010502039775号
