Développé dans les années 1960 et 1970, les rectennas ont fonctionné à des longueurs d'onde aussi courtes que dix microns, mais depuis plus de 40 ans, les chercheurs tentent de fabriquer des dispositifs à des longueurs d'onde optiques. Les défis étaient nombreux :rendre les antennes suffisamment petites pour coupler les longueurs d'onde optiques, et la fabrication d'une diode de redressement adaptée suffisamment petite et capable de fonctionner suffisamment rapidement pour capturer les oscillations des ondes électromagnétiques. Mais le potentiel de haute efficacité et de faible coût a permis aux scientifiques de travailler sur la technologie.

« La physique et les concepts scientifiques existent, " a déclaré Cola. " C'était maintenant le moment idéal pour essayer de nouvelles choses et faire fonctionner un appareil, grâce aux progrès de la technologie de fabrication."

En utilisant des nanotubes de carbone multiparois métalliques et des techniques de fabrication à l'échelle nanométrique, Cola et ses collaborateurs Asha Sharma, Virendra Singh et Thomas Bougher ont construit des appareils qui utilisent la nature ondulatoire de la lumière plutôt que sa nature particulaire. Ils ont également utilisé une longue série de tests - et plus d'un millier d'appareils - pour vérifier les mesures de courant et de tension afin de confirmer l'existence de fonctions rectenna qui avaient été prédites théoriquement. Les appareils fonctionnaient dans une plage de températures allant de 5 à 77 degrés Celsius.

La fabrication des rectennas commence par la croissance de forêts de nanotubes de carbone alignés verticalement sur un substrat conducteur. En utilisant le dépôt chimique en phase vapeur par couche atomique, les nanotubes sont revêtus d'un matériau d'oxyde d'aluminium pour les isoler. Finalement, Le dépôt physique en phase vapeur est utilisé pour déposer des couches minces optiquement transparentes de calcium puis de métaux d'aluminium au sommet de la forêt de nanotubes. La différence de travail de sortie entre les nanotubes et le calcium fournit un potentiel d'environ deux électrons volts, suffisamment pour chasser les électrons des antennes à nanotubes de carbone lorsqu'elles sont excitées par la lumière.

En opération, des ondes lumineuses oscillantes traversent l'électrode transparente en calcium-aluminium et interagissent avec les nanotubes. Les jonctions métal-isolant-métal aux extrémités des nanotubes servent de redresseurs qui s'allument et s'éteignent à des intervalles de femtoseconde, permettant aux électrons générés par l'antenne de s'écouler dans un sens dans l'électrode supérieure. Capacité ultra-faible, de l'ordre de quelques attofarads, permet à la diode de 10 nanomètres de diamètre de fonctionner à ces fréquences exceptionnelles.

"Une rectenna est essentiellement une antenne couplée à une diode, mais quand vous vous déplacez dans le spectre optique, cela signifie généralement une antenne nanométrique couplée à une diode métal-isolant-métal, " expliqua Cola. " Plus vous rapprochez l'antenne de la diode, plus c'est efficace. Ainsi, la structure idéale utilise l'antenne comme l'un des métaux de la diode - qui est la structure que nous avons créée."

Les rectennas fabriquées par le groupe Cola sont cultivées sur des substrats rigides, mais le but est de les faire pousser sur une feuille ou un autre matériau qui produirait des cellules solaires flexibles ou des photodétecteurs.

Cola voit les rectennas construites jusqu'ici comme une simple preuve de principe. Il a des idées pour améliorer l'efficacité en changeant les matériaux, ouvrir les nanotubes de carbone pour permettre de multiples canaux de conduction, et réduire la résistance dans les structures.

"Nous pensons que nous pouvons réduire la résistance de plusieurs ordres de grandeur simplement en améliorant la fabrication de nos structures de dispositifs, " a-t-il dit. " Sur la base de ce que d'autres ont fait et de ce que la théorie nous montre, Je pense que ces appareils pourraient atteindre une efficacité supérieure à 40 pour cent."