La plupart des rayons du soleil frappant la Terre sont absorbés par ses surfaces, océans et atmosphère. A la suite de ce réchauffement, le rayonnement infrarouge est émis en permanence tout autour de nous, estimé à des millions de gigawatts par seconde. Une équipe KAUST a maintenant développé un appareil qui peut puiser dans cette énergie, ainsi que la chaleur résiduelle des processus industriels, en transformant des signaux d'onde d'un quadrillionième de seconde en électricité utile.

Contrairement aux panneaux solaires limités par les heures de clarté et les conditions météorologiques, la chaleur infrarouge peut être récupérée 24 heures sur 24. Une façon d'y parvenir est de traiter les déchets ou la chaleur infrarouge comme des ondes électromagnétiques à haute fréquence. En utilisant des antennes conçues de manière appropriée, les ondes collectées sont envoyées vers un redresseur, typiquement une diode semi-conductrice, qui convertit les signaux alternatifs en charge de courant continu pour les batteries ou les appareils électriques.

La mise en pratique de ces conceptions de « rectenna » a été difficile. Parce que les émissions infrarouges ont de très petites longueurs d'onde, ils ont besoin d'antennes à l'échelle micro ou nanométrique qui ne sont pas faciles à fabriquer ou à tester. En outre, les ondes infrarouges oscillent des milliers de fois plus vite qu'un semi-conducteur typique ne peut déplacer des électrons à travers sa jonction. "Il n'y a aucune diode commerciale dans le monde qui peut fonctionner à une fréquence aussi élevée, " dit Atif Shamim, chef de projet de KAUST. "C'est pourquoi nous nous sommes tournés vers le tunnel quantique."

Dispositifs de tunnellisation, telles que les diodes métal-isolant-métal (MIM), rectifier les ondes infrarouges en courant en déplaçant les électrons à travers une petite barrière. Comme cette barrière n'a qu'un nanomètre d'épaisseur, Les diodes MIM peuvent traiter des signaux haute fréquence de l'ordre de la femtoseconde. Pour générer les champs intenses nécessaires au tunneling, l'équipe s'est tournée vers une nano-antenne unique en forme de nœud papillon qui prend en sandwich le mince film isolant entre deux bras métalliques légèrement superposés.

"La partie la plus difficile était le chevauchement à l'échelle nanométrique des deux bras d'antenne, qui nécessitait un alignement très précis, " dit le chercheur postdoctoral, Gaurav Jayaswal. "Néanmoins, en combinant des astuces astucieuses avec les outils avancés de l'installation de nanofabrication de KAUST, nous avons accompli cette étape".

En choisissant des métaux avec des fonctions de travail différentes, la nouvelle diode MIM pourrait capter les ondes infrarouges avec une tension appliquée nulle, une fonction passive qui allume l'appareil uniquement en cas de besoin. Des expériences d'exposition aux infrarouges ont révélé que le nœud papillon avait réussi à récolter de l'énergie uniquement à partir du rayonnement, et non des effets thermiques, comme en témoigne une tension de sortie dépendante de la polarisation.

"Ce n'est que le début - une preuve de concept, ", dit Shamim. "Nous pourrions avoir des millions de tels appareils connectés pour augmenter la production globale d'électricité."