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產(chǎn)生這種高頻輻射波，例如我們的身體以及周圍的無生命物體。

太赫茲波在日常生活中無處不在，如果能夠?qū)⑦@些能量匯集起來，或能夠作為一種替代能源。例如，想象一下有這么一個手機附件，它可以被動吸收周圍的T射線并將之轉(zhuǎn)化成電能為手機充電。但迄今為止，太赫茲波依舊是一種不可利用的能量，因為還沒有切實可行的方法將其捕獲并轉(zhuǎn)換為任何可用的能量。最近，麻省理工學院的物理學家們提出了一種設(shè)備的設(shè)計藍圖。他們認為這種設(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)計利用了量子力學，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，石墨烯中電子的運動將會向一個方向傾斜。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使石墨烯的電子，向直流電一樣沿單一方向流過材料。

研究人員在《科學進展》雜志上發(fā)表了這一研究結(jié)果，并且正在與實驗者合作，將他們的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N物理設(shè)備。Hiroki Isobe是麻省理工學院材料研究實驗室的博士后，也是論文的第一作者?！拔覀儽惶掌澆ǘ蔚碾姶挪ㄋ鼑?，他說，“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)?！?/p>

打破石墨烯的對稱性

在過去的十年中，科學家一直在尋找各種方法來收集環(huán)境中的能量，并將其轉(zhuǎn)換為可用電能。他們主要是通過整流器來實現(xiàn)這一構(gòu)想的，這種設(shè)備能夠?qū)㈦姶挪◤恼袷?a href="http://www.makelele.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)計用來轉(zhuǎn)換諸如無線電波之類的低頻波，它們利用帶有二極管的電路來產(chǎn)生一個電場，可將通過該設(shè)備的無線電波轉(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)換為直流電的實驗技術(shù)只能在超低溫度下完成。但在實際應(yīng)用中，這些要求很難實現(xiàn)。Isobe沒有在設(shè)備中施加外部電場將電磁波轉(zhuǎn)換為直流電。他想知道在量子力學層面上，是否可以使得材料自身的電子被誘導(dǎo)向一個方向流動，以此將進入的太赫茲波轉(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，沒有雜質(zhì)。他發(fā)現(xiàn)石墨烯正是理想的原材料。通過查閱文獻，他發(fā)現(xiàn)其他人將石墨烯放在一層氮化硼層上進行實驗，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）。圖片來源：麻省理工學院Isobe進行一項系統(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)動會向一個方向傾斜，如果石墨烯相對純凈，這種傾斜運動會產(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動路徑上的阻礙，導(dǎo)致這些電子云向各個方向散射，而不是向同一方向流動?！坝捎诖嬖谠S多雜質(zhì)，這種傾斜運動最終會產(chǎn)生振蕩。任何傳入的太赫茲能量都會通過這種振蕩而損失掉，”Isobe解釋道，“因此，我們希望使用純凈的樣品來獲得有效的電子傾斜運動?！?/p>

一個方向的電流

他們還發(fā)現(xiàn)，傳入的太赫茲波的能量越強，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，增強它的信號并使其足夠轉(zhuǎn)換成直流電。Fu說：“除了利用的電磁波頻率范圍不同外，它非常類似于太陽能電池——以被動方式收集和轉(zhuǎn)換環(huán)境能量?！痹搱F隊已為新的“高頻整流”設(shè)計申請了專利，他們正在與麻省理工學院的實驗物理學家合作，開發(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：“如果設(shè)備能在室溫下工作，我們就可以將它運用到許多便攜式的應(yīng)用中?！彼O(shè)想在不久的將來，太赫茲波整流器可能會被應(yīng)用到一些領(lǐng)域，譬如利用無線的方式為患者體內(nèi)的植入物供電。這一類設(shè)備還可以通過轉(zhuǎn)化周圍的Wi-Fi信號，為筆記本電腦和手機等個人電子設(shè)備充電。Fu說，“我們找到了一種可以使用的、在原子尺度上具有不對稱性的量子材料。這帶來了大量新的可能性。”

原文標題：無處不在的太赫茲波，可以給手機充電？

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