Qualquer dispositivo que envia um sinal Wi-Fi também emite ondas terahertz - ondas eletromagnéticas com uma frequência em algum lugar entre as microondas e a luz infravermelha. Essas ondas de radiação de alta frequência, conhecido como "raios T, "também são produzidos por quase tudo que registra uma temperatura, incluindo nossos próprios corpos e os objetos inanimados ao nosso redor.

As ondas Terahertz estão presentes em nossas vidas diárias, e se for aproveitado, sua energia concentrada poderia servir potencialmente como uma fonte alternativa de energia. Imagine, por exemplo, um complemento de celular que absorve passivamente os raios T do ambiente e usa sua energia para carregar o telefone. Contudo, Até a presente data, ondas terahertz são energia desperdiçada, já que não há uma maneira prática de capturá-los e convertê-los em qualquer forma utilizável.

Agora, os físicos do MIT criaram um projeto para um dispositivo que eles acreditam ser capaz de converter as ondas terahertz do ambiente em uma corrente contínua, uma forma de eletricidade que alimenta muitos eletrônicos domésticos.

Seu design tira proveito da mecânica quântica, ou comportamento atômico do grafeno do material de carbono. Eles descobriram que, ao combinar o grafeno com outro material, nesse caso, nitreto de boro, os elétrons no grafeno devem desviar seu movimento em uma direção comum. Quaisquer ondas terahertz de entrada devem "transportar" os elétrons do grafeno, como tantos controladores de tráfego aéreo minúsculos, fluir através do material em uma única direção, como uma corrente contínua.

Os pesquisadores publicaram seus resultados hoje na revista. Avanços da Ciência , e estão trabalhando com experimentalistas para transformar seu projeto em um dispositivo físico.

"Estamos rodeados por ondas eletromagnéticas na faixa de terahertz, "diz o autor principal Hiroki Isobe, um pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. "Se pudermos converter essa energia em uma fonte de energia, podemos usar para a vida diária, isso ajudaria a enfrentar os desafios de energia que enfrentamos agora. "

Os co-autores de Isobe são Liang Fu, o Professor Associado de Física de Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn para Desenvolvimento de Carreira no MIT; e Su-yang Xu, um ex-pós-doutorado do MIT que agora é professor assistente de química na Universidade de Harvard.

Quebrando a simetria do grafeno

Na última década, os cientistas procuraram maneiras de colher e converter a energia ambiente em energia elétrica utilizável. Eles têm feito isso principalmente por meio de retificadores, dispositivos projetados para converter ondas eletromagnéticas de sua corrente oscilante (alternada) em corrente contínua.

A maioria dos retificadores são projetados para converter ondas de baixa frequência, como ondas de rádio, usando um circuito elétrico com diodos para gerar um campo elétrico que pode direcionar as ondas de rádio através do dispositivo como uma corrente CC. Esses retificadores funcionam apenas até uma determinada frequência, e não foram capazes de acomodar a faixa de terahertz.

Algumas tecnologias experimentais que foram capazes de converter ondas terahertz em corrente DC o fazem apenas em temperaturas ultracold - configurações que seriam difíceis de implementar em aplicações práticas.

Em vez de transformar as ondas eletromagnéticas em uma corrente DC aplicando um campo elétrico externo em um dispositivo, Isobe se perguntou se, em um nível de mecânica quântica, os próprios elétrons de um material podem ser induzidos a fluir em uma direção, a fim de direcionar as ondas terahertz de entrada para uma corrente CC.

Esse material teria que ser muito limpo, ou livre de impurezas, para que os elétrons do material fluam sem espalhar irregularidades no material. Grafeno, ele encontrou, era o material inicial ideal.

Para direcionar os elétrons do grafeno para fluir em uma direção, ele teria que quebrar a simetria inerente do material, ou o que os físicos chamam de "inversão". Normalmente, os elétrons do grafeno sentem uma força igual entre eles, o que significa que qualquer energia de entrada espalharia os elétrons em todas as direções, simetricamente. Isobe procurou maneiras de quebrar a inversão do grafeno e induzir um fluxo assimétrico de elétrons em resposta à energia que entra.

Olhando através da literatura, ele descobriu que outros haviam feito experiências com grafeno, colocando-o sobre uma camada de nitreto de boro, uma estrutura semelhante em favo de mel feita de dois tipos de átomos - boro e nitrogênio. Eles descobriram que neste arranjo, as forças entre os elétrons do grafeno foram desequilibradas:os elétrons mais próximos do boro sentiram uma certa força, enquanto os elétrons mais próximos do nitrogênio experimentaram uma atração diferente. O efeito geral foi o que os físicos chamam de "dispersão de inclinação, "em que nuvens de elétrons distorcem seu movimento em uma direção.

Isobe desenvolveu um estudo teórico sistemático de todas as maneiras pelas quais os elétrons no grafeno podem se espalhar em combinação com um substrato subjacente, como o nitreto de boro, e como esse espalhamento de elétrons afetaria quaisquer ondas eletromagnéticas de entrada, particularmente na faixa de frequência terahertz.

Ele descobriu que os elétrons eram impulsionados por ondas terahertz de entrada para inclinar em uma direção, e este movimento inclinado gera uma corrente DC, se o grafeno fosse relativamente puro. Se muitas impurezas existissem no grafeno, eles atuariam como obstáculos no caminho das nuvens de elétrons, fazendo com que essas nuvens se espalhem em todas as direções, em vez de se mover como um só.

"Com muitas impurezas, este movimento enviesado acaba oscilando, e qualquer energia terahertz de entrada é perdida por meio dessa oscilação, "Isobe explica." Então, queremos uma amostra limpa para efetivamente obter um movimento inclinado. "

Uma direção

Eles também descobriram que quanto mais forte a energia terahertz de entrada, mais dessa energia um dispositivo pode converter em corrente CC. Isso significa que qualquer dispositivo que converta raios T também deve incluir uma maneira de concentrar essas ondas antes de entrarem no dispositivo.

Com tudo isso em mente, os pesquisadores traçaram um projeto para um retificador terahertz que consiste em um pequeno quadrado de grafeno que fica no topo de uma camada de nitreto de boro e está imprensado dentro de uma antena que coletaria e concentraria a radiação terahertz ambiente, aumentando seu sinal o suficiente para convertê-lo em uma corrente DC.

"Isso funcionaria muito como uma célula solar, exceto para uma faixa de frequência diferente, para coletar e converter passivamente a energia ambiente, "Fu diz.

A equipe entrou com um pedido de patente para o novo projeto de "retificação de alta frequência", e os pesquisadores estão trabalhando com físicos experimentais do MIT para desenvolver um dispositivo físico baseado em seu projeto, que deve ser capaz de funcionar à temperatura ambiente, versus as temperaturas ultracold exigidas pelos retificadores e detectores terahertz anteriores.

“Se um dispositivo funciona à temperatura ambiente, podemos usá-lo para muitos aplicativos portáteis, "Isobe diz.

Ele imagina que, no futuro próximo, retificadores terahertz podem ser usados, por exemplo, para alimentar implantes sem fio no corpo de um paciente, sem a necessidade de cirurgia para trocar as baterias de um implante. Esses dispositivos também podem converter sinais de ambiente Wi-Fi para carregar aparelhos eletrônicos pessoais, como laptops e telefones celulares.

"Estamos pegando um material quântico com alguma assimetria em escala atômica, que agora pode ser utilizado, o que abre muitas possibilidades, "Fu diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.