太赫茲波屬于電磁波，其頻率介于微波和紅外光之間，也稱為“T射線”。幾乎所有存在溫度的物體都會(huì)產(chǎn)生這種高頻輻射波，例如我們的身體以及周圍的無(wú)生命物體。

太赫茲波在日常生活中無(wú)處不在，如果能夠?qū)⑦@些能量匯集起來(lái)，或能夠作為一種替代能源。例如，想象一下有這么一個(gè)手機(jī)附件，它可以被動(dòng)吸收周圍的T射線并將之轉(zhuǎn)化成電能為手機(jī)充電。但迄今為止，太赫茲波依舊是一種不可利用的能量，因?yàn)檫€沒(méi)有切實(shí)可行的方法將其捕獲并轉(zhuǎn)換為任何可用的能量。最近，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(jì)藍(lán)圖。他們認(rèn)為這種設(shè)備能夠?qū)⒅車奶掌澆ㄞD(zhuǎn)換成直流電，這種直流電可以為很多家用電子設(shè)備供電。他們的設(shè)計(jì)利用了量子力學(xué)，也就是碳材料石墨烯的原子行為。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯與另一種材料（氮化硼）結(jié)合時(shí)，石墨烯中電子的運(yùn)動(dòng)將會(huì)向一個(gè)方向傾斜。就像是存在很多微小的“空中交警”一樣，任何入射的太赫茲波都會(huì)使石墨烯的電子，向直流電一樣沿單一方向流過(guò)材料。

研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了這一研究結(jié)果，并且正在與實(shí)驗(yàn)者合作，將他們的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N物理設(shè)備。Hiroki Isobe是麻省理工學(xué)院材料研究實(shí)驗(yàn)室的博士后，也是論文的第一作者。“我們被太赫茲波段的電磁波所包圍”，他說(shuō)，“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，將有助于解決目前面臨的能源挑戰(zhàn)。”

打破石墨烯的對(duì)稱性

在過(guò)去的十年中，科學(xué)家一直在尋找各種方法來(lái)收集環(huán)境中的能量，并將其轉(zhuǎn)換為可用電能。他們主要是通過(guò)整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的，這種設(shè)備能夠?qū)㈦姶挪◤恼袷?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流轉(zhuǎn)換為直流電。大多數(shù)整流器是被設(shè)計(jì)用來(lái)轉(zhuǎn)換諸如無(wú)線電波之類的低頻波，它們利用帶有二極管的電路來(lái)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，可將通過(guò)該設(shè)備的無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成直流電。但這些整流器只能在特定頻率下工作，并不適用于太赫茲波。少數(shù)幾種能夠?qū)⑻掌澆ㄞD(zhuǎn)換為直流電的實(shí)驗(yàn)技術(shù)只能在超低溫度下完成。但在實(shí)際應(yīng)用中，這些要求很難實(shí)現(xiàn)。Isobe沒(méi)有在設(shè)備中施加外部電場(chǎng)將電磁波轉(zhuǎn)換為直流電。他想知道在量子力學(xué)層面上，是否可以使得材料自身的電子被誘導(dǎo)向一個(gè)方向流動(dòng)，以此將進(jìn)入的太赫茲波轉(zhuǎn)換為直流電。

為了使材料中的電子流通而又不產(chǎn)生不規(guī)則的散射，這種材料必須非常干凈，沒(méi)有雜質(zhì)。他發(fā)現(xiàn)石墨烯正是理想的原材料。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)其他人將石墨烯放在一層氮化硼層上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氮化硼是由硼和氮兩種的原子構(gòu)成類似蜂窩狀晶格。他們發(fā)現(xiàn)，在這種組合結(jié)構(gòu)中，石墨烯電子受到的力不再平衡：靠近硼和氮的電子會(huì)感受到不同方向的力。

在這張示意圖中，綠色正方形代表了石墨烯（它在正方形的氮化硼材料上方）；紅線代表太赫茲波；藍(lán)色三角形代表圍繞正方形的天線（用于捕獲太赫茲波）。圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院Isobe進(jìn)行一項(xiàng)系統(tǒng)的理論研究了在存在氮化硼層的情況下，石墨烯電子散射的所有情況，以及這種電子散射將如何影響傳入的電磁波，尤其是入射的太赫茲波。他發(fā)現(xiàn)電子受到入射太赫茲波的驅(qū)動(dòng)會(huì)向一個(gè)方向傾斜，如果石墨烯相對(duì)純凈，這種傾斜運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生直流電。如果石墨烯中存在大量雜質(zhì)，它們將成為電子云運(yùn)動(dòng)路徑上的阻礙，導(dǎo)致這些電子云向各個(gè)方向散射，而不是向同一方向流動(dòng)。“由于存在許多雜質(zhì)，這種傾斜運(yùn)動(dòng)最終會(huì)產(chǎn)生振蕩。任何傳入的太赫茲能量都會(huì)通過(guò)這種振蕩而損失掉，”Isobe解釋道，“因此，我們希望使用純凈的樣品來(lái)獲得有效的電子傾斜運(yùn)動(dòng)。”

一個(gè)方向的電流

他們還發(fā)現(xiàn)，傳入的太赫茲波的能量越強(qiáng)，設(shè)備就可以將越多的能量轉(zhuǎn)換直流電。這意味著所有用于轉(zhuǎn)換T射線的設(shè)備，還應(yīng)該含有一個(gè)匯聚入射的太赫茲波的方法。考慮到所有的這些因素，研究人員提出了太赫茲波整流器的藍(lán)圖。這種整流器包括：一小塊的方形石墨烯，被夾在氮化硼層和天線中間。這些天線能夠收集并匯聚環(huán)境中的太赫茲波，增強(qiáng)它的信號(hào)并使其足夠轉(zhuǎn)換成直流電。Fu說(shuō)：“除了利用的電磁波頻率范圍不同外，它非常類似于太陽(yáng)能電池——以被動(dòng)方式收集和轉(zhuǎn)換環(huán)境能量。”該團(tuán)隊(duì)已為新的“高頻整流”設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利，他們正在與麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家合作，開(kāi)發(fā)出一種能在室溫而不是超低溫環(huán)境下工作的物理設(shè)備。

Isobe說(shuō)：“如果設(shè)備能在室溫下工作，我們就可以將它運(yùn)用到許多便攜式的應(yīng)用中。”他設(shè)想在不久的將來(lái)，太赫茲波整流器可能會(huì)被應(yīng)用到一些領(lǐng)域，譬如利用無(wú)線的方式為患者體內(nèi)的植入物供電。這一類設(shè)備還可以通過(guò)轉(zhuǎn)化周圍的Wi-Fi信號(hào)，為筆記本電腦和手機(jī)等個(gè)人電子設(shè)備充電。Fu說(shuō)，“我們找到了一種可以使用的、在原子尺度上具有不對(duì)稱性的量子材料。這帶來(lái)了大量新的可能性。”

原文標(biāo)題：無(wú)處不在的太赫茲波，可以給手機(jī)充電？

文章出處：【微信公眾號(hào)：微波射頻網(wǎng)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq