Tout appareil qui envoie un signal Wi-Fi émet également des ondes térahertz, des ondes électromagnétiques dont la fréquence se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Ces ondes de rayonnement à haute fréquence, connu sous le nom de « rayons T, " sont également produits par presque tout ce qui enregistre une température, y compris notre propre corps et les objets inanimés qui nous entourent.

Les ondes térahertz sont omniprésentes dans notre vie quotidienne, et si attelé, leur puissance concentrée pourrait potentiellement servir de source d'énergie alternative. Imaginer, par exemple, un module complémentaire de téléphone portable qui absorbe passivement les rayons T ambiants et utilise leur énergie pour charger votre téléphone. Cependant, à ce jour, les ondes térahertz sont de l'énergie gaspillée, car il n'y a eu aucun moyen pratique de les capturer et de les convertir en une forme utilisable.

Maintenant, les physiciens du MIT ont mis au point un plan pour un appareil qui, selon eux, serait capable de convertir les ondes térahertz ambiantes en un courant continu, une forme d'électricité qui alimente de nombreux appareils électroniques ménagers.

Leur conception tire parti de la mécanique quantique, ou le comportement atomique du matériau carboné graphène. Ils ont découvert qu'en combinant le graphène avec un autre matériau, dans ce cas, Nitrure de bore, les électrons du graphène devraient incliner leur mouvement vers une direction commune. Toute onde térahertz entrante devrait « faire la navette » des électrons du graphène, comme tant de petits contrôleurs aériens, s'écouler à travers le matériau dans une seule direction, comme courant continu.

Les chercheurs ont publié aujourd'hui leurs résultats dans la revue Avancées scientifiques , et travaillent avec des expérimentateurs pour transformer leur conception en un dispositif physique.

"Nous sommes entourés d'ondes électromagnétiques de l'ordre des térahertz, " dit l'auteur principal Hiroki Isobe, un post-doctorat au Materials Research Laboratory du MIT. "Si nous pouvons convertir cette énergie en une source d'énergie que nous pouvons utiliser pour la vie quotidienne, cela aiderait à relever les défis énergétiques auxquels nous sommes confrontés en ce moment. »

Les co-auteurs d'Isobe sont Liang Fu, le Lawrence C. et Sarah W. Biedenharn professeur agrégé de développement de carrière de physique au MIT; et Su-yang Xu, un ancien post-doctorant du MIT qui est maintenant professeur adjoint de chimie à l'Université de Harvard.

Briser la symétrie du graphène

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont cherché des moyens de récolter et de convertir l'énergie ambiante en énergie électrique utilisable. Ils l'ont fait principalement grâce à des redresseurs, dispositifs conçus pour convertir les ondes électromagnétiques de leur courant oscillant (alternatif) en courant continu.

La plupart des redresseurs sont conçus pour convertir les ondes basse fréquence telles que les ondes radio, en utilisant un circuit électrique avec des diodes pour générer un champ électrique qui peut diriger les ondes radio à travers l'appareil sous forme de courant continu. Ces redresseurs ne fonctionnent que jusqu'à une certaine fréquence, et n'ont pas été en mesure d'accueillir la gamme térahertz.

Quelques technologies expérimentales qui ont été capables de convertir les ondes térahertz en courant continu ne le font qu'à des températures ultrafroides, des configurations qui seraient difficiles à mettre en œuvre dans des applications pratiques.

Au lieu de transformer les ondes électromagnétiques en courant continu en appliquant un champ électrique externe dans un appareil, Isobe se demande si, au niveau de la mécanique quantique, les électrons d'un matériau pourraient être amenés à circuler dans une direction, afin de diriger les ondes térahertz entrantes dans un courant continu.

Un tel matériau devrait être très propre, ou exempt d'impuretés, pour que les électrons du matériau puissent circuler sans disperser les irrégularités du matériau. Graphène, il a trouvé, était la matière première idéale.

Pour diriger les électrons du graphène dans une direction, il devrait briser la symétrie inhérente au matériau, ou ce que les physiciens appellent "l'inversion". Normalement, les électrons du graphène ressentent une force égale entre eux, ce qui signifie que toute énergie entrante disperserait les électrons dans toutes les directions, symétriquement. Isobe a cherché des moyens de briser l'inversion du graphène et d'induire un flux asymétrique d'électrons en réponse à l'énergie entrante.

En parcourant la littérature, il a découvert que d'autres avaient expérimenté le graphène en le plaçant sur une couche de nitrure de bore, un réseau en nid d'abeille similaire composé de deux types d'atomes :le bore et l'azote. Ils ont trouvé que dans cet arrangement, les forces entre les électrons du graphène ont été déséquilibrées :les électrons plus proches du bore ont ressenti une certaine force tandis que les électrons plus proches de l'azote ont subi une attraction différente. L'effet global était ce que les physiciens appellent « la diffusion asymétrique, " dans lequel les nuages ​​d'électrons inclinent leur mouvement dans une direction.

Isobe a développé une étude théorique systématique de toutes les façons dont les électrons du graphène pourraient se disperser en combinaison avec un substrat sous-jacent tel que le nitrure de bore, et comment cette diffusion d'électrons affecterait les ondes électromagnétiques entrantes, en particulier dans la gamme de fréquences térahertz.

Il a découvert que les électrons étaient entraînés par les ondes térahertz entrantes pour se déformer dans une direction, et ce mouvement oblique génère un courant continu, si le graphène était relativement pur. S'il existait trop d'impuretés dans le graphène, ils agiraient comme des obstacles sur le chemin des nuages ​​d'électrons, provoquant la dispersion de ces nuages ​​dans toutes les directions, plutôt que de se déplacer comme un seul.

"Avec beaucoup d'impuretés, ce mouvement asymétrique finit juste par osciller, et toute énergie térahertz entrante est perdue par cette oscillation, " explique Isobe. " Nous voulons donc un échantillon propre pour obtenir efficacement un mouvement asymétrique. "

Une direction

Ils ont également constaté que plus l'énergie térahertz entrante est forte, plus un appareil peut convertir cette énergie en courant continu. Cela signifie que tout appareil qui convertit les rayons T doit également inclure un moyen de concentrer ces ondes avant qu'elles n'entrent dans l'appareil.

Avec tout cela en tête, les chercheurs ont élaboré un plan pour un redresseur térahertz qui se compose d'un petit carré de graphène qui repose sur une couche de nitrure de bore et est pris en sandwich dans une antenne qui recueillerait et concentrerait le rayonnement térahertz ambiant, augmentant suffisamment son signal pour le convertir en courant continu.

"Cela fonctionnerait beaucoup comme une cellule solaire, sauf pour une gamme de fréquence différente, collecter et convertir passivement l'énergie ambiante, " dit Fu.

L'équipe a déposé un brevet pour la nouvelle conception de « rectification haute fréquence », et les chercheurs travaillent avec des physiciens expérimentateurs du MIT pour développer un dispositif physique basé sur leur conception, qui doit pouvoir travailler à température ambiante, par rapport aux températures ultrafroides requises pour les précédents redresseurs et détecteurs térahertz.

"Si un appareil fonctionne à température ambiante, nous pouvons l'utiliser pour de nombreuses applications portables, " dit Isobe.

Il envisage que, dans le futur proche, des redresseurs térahertz peuvent être utilisés, par exemple, pour alimenter sans fil des implants dans le corps d'un patient, sans nécessiter de chirurgie pour changer les piles d'un implant. De tels appareils pourraient également convertir les signaux Wi-Fi ambiants pour recharger les appareils électroniques personnels tels que les ordinateurs portables et les téléphones portables.

"Nous prenons un matériau quantique avec une certaine asymétrie à l'échelle atomique, qui peut maintenant être utilisé, qui ouvre beaucoup de possibilités, " dit Fu.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.