（文章來源：孜然實驗室）

太赫茲波在我們的日常生活中無處不在，如果加以利用，它們的能量有可能成為替代能源。比如，想象一下一個手機附件，它可以被動吸收周圍的太赫茲波，并利用它們的能量為手機充電。任何發(fā)出Wi-Fi信號的設(shè)備也會發(fā)出太赫茲波：一種電磁波，其頻率介于微波和紅外光之間。這些高頻輻射波（稱為“T射線”）也可以由幾乎任何有溫度的東西產(chǎn)生，包括我們自己的身體和我們周圍的無生命物體。

太赫茲波在我們的日常生活中無處不在，如果加以利用，收集它們的能量有可能成為替代能源。比如，想象一下一個手機附件，它可以被動吸收周圍的太赫茲波，并利用它們的能量為手機充電。但是，迄今為止，太赫茲波是浪費的能量，因為還沒有實際的方法來捕獲并將其轉(zhuǎn)換為任何可用的形式。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們提出了一種設(shè)備的設(shè)計藍圖，他們相信這種設(shè)備能夠?qū)⒅車奶掌澆ㄞD(zhuǎn)換成直流電，這種直流電可以為許多家用電子設(shè)備供電。

他們的設(shè)計利用了石墨烯的量子力學(xué)或原子行為。他們發(fā)現(xiàn)，通過將石墨烯與另一種材料（目前考慮的是氮化硼）結(jié)合，石墨烯中的電子將其運動向共同的方向傾斜。像許多微小的空中交通管制員一樣，任何進入的太赫茲波都應(yīng)推動石墨烯的電子，使其作為直流電沿單一方向流動。研究人員在《科學(xué)進展》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，并正在與實驗者合作，將他們的設(shè)計變成一種物理設(shè)備。

麻省理工學(xué)院材料研究實驗室的博士后Hiroki Isobe說：“我們被太赫茲范圍的電磁波所包圍。如果我們能夠?qū)⑦@種能量轉(zhuǎn)換成可用于日常生活的能源，那將有助于解決我們目前面臨的能源挑戰(zhàn)。”Isobe的合著者是MIT的Fu Liang、Lawrence C.、副教授Sarah W. Biedenharn和Xu Su yang，前麻省理工學(xué)院的博士后，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)化學(xué)系助理教授。

在過去的十年中，科學(xué)家一直在尋找各種方法來收集環(huán)境能量并將其轉(zhuǎn)換為可用電能。他們主要是通過整流器來實現(xiàn)的，整流器是旨在將電磁波從其振蕩（交流）電流轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備。大多數(shù)整流器設(shè)計為使用帶有二極管的電路來轉(zhuǎn)換諸如無線電波之類的低頻波，以產(chǎn)生可將無線電波作為直流電流引導(dǎo)通過該設(shè)備的電場。這些整流器只能在特定頻率下工作，無法適應(yīng)太赫茲范圍。

一些能夠?qū)⑻掌澆ㄞD(zhuǎn)換為直流電流的實驗技術(shù)僅在超冷溫度下才能實現(xiàn)，而這種設(shè)置在實際應(yīng)用中將很難實現(xiàn)。Isobe并沒有通過在設(shè)備中施加外部電場而將電磁波轉(zhuǎn)換為直流電流，而是想知道是否可以在量子力學(xué)水平上材料自身的感應(yīng)電子朝一個方向流動，從而將進入的太赫茲波轉(zhuǎn)為直流電流。

為了使材料中的電子流過而不會因材料中的不規(guī)則性而分散，這種材料必須非常純凈或沒有雜質(zhì)。他發(fā)現(xiàn)，石墨烯是理想的原料。

為了引導(dǎo)石墨烯的電子朝一個方向流動，他將不得不破壞材料固有的對稱性，也就是物理學(xué)家所謂的“反轉(zhuǎn)”。通常，石墨烯的電子在它們之間受到相等的力，這意味著任何傳入的能量都會使電子對稱地向各個方向散射。Isobe正在尋找一種方法來打破石墨烯的反轉(zhuǎn)，并響應(yīng)入射能量誘導(dǎo)電子的不對稱流動。

通過查閱文獻，他發(fā)現(xiàn)其他人通過將石墨烯放在氮化硼層上進行了實驗，氮化硼是由兩種原子（硼和氮）構(gòu)成的類似蜂窩狀晶格。他們發(fā)現(xiàn)，在這種排列方式下，石墨烯電子之間的力失衡：靠近硼的電子受到一定的推力，而靠近氮的電子受到不同的拉力。整體效果就是物理學(xué)家所說的“偏斜散射”，即電子云沿一個方向偏斜運動。

Isobe進行了系統(tǒng)的理論研究，研究了石墨烯中的電子可能與諸如氮化硼之類的下層基板一起散射的所有方式，以及這種電子散射將如何影響任何傳入的電磁波，特別是在太赫茲頻率范圍內(nèi)。他發(fā)現(xiàn)電子受到入射的太赫茲波的驅(qū)動而向一個方向傾斜，如果石墨烯相對純凈，這種傾斜運動會產(chǎn)生直流電流。如果石墨烯中確實存在太多雜質(zhì)，它們將成為電子云路徑的障礙，導(dǎo)致這些云向各個方向散射，而不是作為一個整體移動。

Isobe解釋說：“由于存在許多雜質(zhì)，這種偏斜運動最終會振蕩，并且任何傳入的太赫茲能量都會通過這種振蕩而損失掉。因此，我們希望純凈的樣本能夠有效地產(chǎn)生偏斜的運動。”

他們還發(fā)現(xiàn)，傳入的太赫茲能量越強，設(shè)備可以轉(zhuǎn)換成直流電流的能量就越多。這意味著任何轉(zhuǎn)換T射線的設(shè)備還應(yīng)包括在這些波進入設(shè)備之前對其進行聚光的方法?？紤]到所有這些因素，研究人員繪制了太赫茲整流器的藍圖，該整流器由一個小正方形的石墨烯組成，該石墨烯位于氮化硼層上，并夾在天線中，該天線收集并集中環(huán)境太赫茲輻射，增強其信號足以將其轉(zhuǎn)換為直流電流。

該團隊已為新的“高頻整流”設(shè)計申請了專利，研究人員正在與麻省理工學(xué)院的實驗物理學(xué)家合作，根據(jù)他們的設(shè)計開發(fā)一種物理設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)該能夠在室溫下工作，而不是超冷環(huán)境 - 以前的太赫茲整流器和探測器所需的溫度。他設(shè)想在不久的將來，可以使用太赫茲整流器，例如，以無線方式為患者體內(nèi)的植入物供電，而無需進行手術(shù)來更換植入物的電池。此類設(shè)備還可以轉(zhuǎn)換周圍的Wi-Fi信號，為筆記本電腦和手機等個人電子設(shè)備充電。

“我們正在采用一種在原子尺度上具有一定不對稱性的量子材料，這種材料現(xiàn)在可以被利用，這開辟了很多可能性?！?Fu說。這項研究部分由美國陸軍研究實驗室和美國陸軍研究辦公室通過士兵納米技術(shù)研究所（ISN）資助。
（責(zé)任編輯：fqj）