Depuis que Nikola Tesla a craché de l'électricité dans toutes les directions avec sa bobine en 1891, les scientifiques ont imaginé des moyens d'envoyer de l'énergie électrique dans l'air. Le rêve est de recharger votre téléphone ou votre ordinateur portable, ou peut-être même un appareil de santé tel qu'un stimulateur cardiaque, sans avoir besoin de fils et de fiches. Le plus délicat est d'obtenir l'électricité pour trouver sa cible, et faire en sorte que cette cible absorbe l'électricité au lieu de simplement la refléter dans l'air, le tout de préférence sans mettre personne en danger en cours de route.

Ces jours, vous pouvez charger sans fil un smartphone en le plaçant à moins d'un pouce d'une station de charge. Mais transfert de puissance sans fil longue portée utilisable, d'un côté à l'autre d'une pièce ou même à travers un bâtiment, est encore un travail en cours. La plupart des méthodes actuellement en développement consistent à focaliser des faisceaux d'énergie étroits et à les diriger vers leur cible. Ces méthodes ont eu un certain succès, mais ne sont pour l'instant pas très efficaces. Et avoir focalisé des faisceaux électromagnétiques volant dans l'air est troublant.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université du Maryland (UMD), en collaboration avec un collègue de la Wesleyan University dans le Connecticut, ont développé une technique améliorée pour la technologie de transfert de puissance sans fil qui peut promettre une transmission de puissance à longue portée sans faisceaux d'énergie étroitement focalisés et dirigés. leurs résultats, qui élargissent l'applicabilité des techniques antérieures, ont été publiés le 17 novembre, 2020 dans la revue Communication Nature .

L'équipe a généralisé un concept connu sous le nom d'« anti-laser ». Dans un laser, un photon déclenche une cascade de plusieurs photons de la même couleur jaillissant dans un faisceau cohérent. Dans un anti-laser, l'inverse se produit. Au lieu d'augmenter le nombre de photons, un anti-laser absorbe de manière cohérente et parfaite un faisceau de nombreux photons réglés avec précision. C'est un peu comme un laser qui recule dans le temps.

Le nouveau travail, dirigé par le professeur de physique UMD Steven Anlage du Quantum Materials Center (QMC), démontre qu'il est possible de concevoir un absorbeur parfait et cohérent en dehors du cadre laser à temps inversé d'origine, un assouplissement de certaines des contraintes clés des travaux antérieurs. Au lieu de supposer des faisceaux dirigés voyageant le long de lignes droites dans une cible d'absorption, ils ont choisi une géométrie qui était désordonnée et ne se prêtait pas à un recul dans le temps.

"Nous voulions voir cet effet dans un environnement tout à fait général où il n'y a pas de contraintes, " dit Anlage. "Nous voulions une sorte d'aléatoire, arbitraire, environnement complexe, et nous voulions faire en sorte qu'une absorption parfaite se produise dans ces circonstances vraiment exigeantes. C'était la motivation pour cela, et nous l'avons fait."

Anlage et ses collègues voulaient créer un appareil qui pourrait recevoir de l'énergie d'une source plus diffuse, quelque chose qui était moins poutre et plus bain. Avant de relever le défi du sans fil, ils ont installé leur anti-laser généralisé comme un labyrinthe de fils pour les ondes électromagnétiques à traverser. Spécifiquement, ils ont utilisé des micro-ondes, un candidat courant pour les applications de transfert de puissance. Le labyrinthe consistait en un tas de fils et de boîtes connectés de manière délibérément désordonnée. Les micro-ondes traversant ce labyrinthe s'emmêleraient tellement que, même s'il était possible d'inverser le temps, cela ne les démêlerait toujours pas.

Enterré au milieu de ce labyrinthe était un absorbeur, la cible à laquelle fournir de l'énergie. L'équipe a envoyé des micro-ondes de différentes fréquences, amplitudes et phases dans le labyrinthe et mesuré leur transformation. Sur la base de ces mesures, ils ont pu calculer les propriétés exactes des micro-ondes d'entrée qui se traduiraient par un transfert de puissance parfait vers l'absorbeur. Ils ont constaté que pour des micro-ondes d'entrée correctement choisies, le labyrinthe a absorbé un nombre sans précédent de 99,999 % de la puissance qu'ils y ont envoyée. Cela a montré explicitement qu'une absorption parfaite cohérente peut être obtenue même sans qu'un laser passe en arrière dans le temps.

L'équipe a ensuite fait un pas vers le transfert d'énergie sans fil. Ils ont répété l'expérience dans une cavité, une plaque de laiton de plusieurs pieds dans chaque direction avec un trou de forme étrange au milieu. La forme du trou a été conçue pour que les micro-ondes rebondissent autour de lui de manière imprévisible, manière chaotique. Ils ont placé un absorbeur de puissance à l'intérieur de la cavité, et envoyé des micro-ondes pour rebondir autour de l'espace ouvert à l'intérieur. Ils ont pu trouver les bonnes conditions de micro-ondes d'entrée pour une absorption parfaite cohérente avec une efficacité de 99,996%.

Des travaux récents d'une collaboration d'équipes en France et en Autriche ont également démontré une absorption parfaite cohérente dans leur propre labyrinthe de micro-ondes désordonné. Cependant, leur expérience n'était pas aussi générale que les nouveaux travaux d'Anlage et de ses collègues. Dans le travail précédent, les micro-ondes entrant dans le labyrinthe seraient encore démêlées par un hypothétique renversement du temps. Cela peut sembler une distinction subtile, mais les auteurs disent que montrer que l'absorption parfaite cohérente ne nécessite aucun type d'ordre dans l'environnement promet une applicabilité pratiquement n'importe où.

Généraliser les techniques antérieures de cette manière invite à des idées qui ressemblent à de la science-fiction, comme pouvoir recharger sans fil et à distance n'importe quel objet dans un environnement complexe, comme un immeuble de bureaux, avec une efficacité quasi parfaite. De tels schémas exigeraient que la fréquence, amplitude, et la phase de l'énergie électrique est adaptée à des cibles spécifiques. Mais il n'y aurait pas besoin de focaliser un faisceau puissant et de le diriger vers l'ordinateur portable ou le téléphone - les ondes électriques elles-mêmes seraient conçues pour trouver leur cible choisie.

"Si nous avons un objet auquel nous voulons fournir de l'énergie, nous allons d'abord utiliser notre équipement pour mesurer certaines propriétés du système, " dit Lei Chen, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique à l'UMD et l'auteur principal de l'article. « Sur la base de ces propriétés, nous pouvons obtenir les signaux micro-ondes uniques pour ce type de système. Et il sera parfaitement absorbé par l'objet. Pour chaque objet unique, les signaux seront différents et spécialement conçus."

Bien que cette technique soit très prometteuse, beaucoup reste à faire avant l'avènement des bureaux sans fil et sans prise. L'absorbeur parfait dépend de manière cruciale de la puissance réglée juste pour l'absorbeur. Un léger changement dans l'environnement, comme le déplacement de l'ordinateur portable cible ou le relèvement des stores dans la pièce, nécessiterait un réajustement immédiat de tous les paramètres. Donc, il faudrait un moyen de trouver rapidement et efficacement les bonnes conditions pour une parfaite absorption à la volée, sans utiliser trop de puissance ou de bande passante. En outre, il reste encore du travail à faire pour déterminer l'efficacité et l'innocuité de cette technique dans des environnements réalistes.

Même s'il n'est pas encore temps de jeter tous vos cordons d'alimentation, une absorption parfaite cohérente peut être utile à bien des égards. Non seulement est-il général à tout type de cible, elle ne se limite pas non plus à l'optique ou aux micro-ondes. "Ce n'est pas lié à une technologie spécifique, " dit Anlage, « C'est un phénomène d'onde très général. Et le fait que cela se fasse par micro-ondes est simplement parce que c'est là que se trouvent les points forts de mon laboratoire. Mais vous pouvez faire tout cela avec l'acoustique, vous pouvez le faire avec des ondes de matière, vous pouvez le faire avec des atomes froids. Vous pouvez le faire dans plusieurs, beaucoup de contextes différents."

En plus de Chen et Anlage, Tsampikos Kottos, professeur à l'université wesleyenne, était co-auteur de l'article.