Cualquier dispositivo que envíe una señal Wi-Fi también emite ondas de terahercios, ondas electromagnéticas con una frecuencia en algún lugar entre las microondas y la luz infrarroja. Estas ondas de radiación de alta frecuencia, conocido como "rayos T, "también son producidos por casi cualquier cosa que registre una temperatura, incluidos nuestros propios cuerpos y los objetos inanimados que nos rodean.

Las ondas de terahercios son omnipresentes en nuestra vida diaria, y si está enjaezado, su poder concentrado podría potencialmente servir como una fuente de energía alternativa. Imagina, por ejemplo, un complemento de teléfono móvil que absorbe pasivamente los rayos T ambientales y utiliza su energía para cargar su teléfono. Sin embargo, hasta la fecha, las ondas de terahercios son energía desperdiciada, ya que no ha habido una forma práctica de capturarlos y convertirlos en una forma utilizable.

Ahora, los físicos del MIT han creado un modelo para un dispositivo que creen que podría convertir ondas ambientales de terahercios en una corriente continua. una forma de electricidad que alimenta muchos aparatos electrónicos domésticos.

Su diseño aprovecha la mecánica cuántica, o comportamiento atómico del material de carbono grafeno. Descubrieron que al combinar grafeno con otro material, en este caso, nitruro de boro, los electrones del grafeno deberían desviar su movimiento hacia una dirección común. Cualquier onda de terahercios entrante debería "transportar" los electrones del grafeno, como tantos pequeños controladores de tráfico aéreo, fluir a través del material en una sola dirección, como corriente continua.

Los investigadores han publicado hoy sus resultados en la revista Avances de la ciencia , y están trabajando con experimentadores para convertir su diseño en un dispositivo físico.

"Estamos rodeados de ondas electromagnéticas en el rango de terahercios, "dice el autor principal Hiroki Isobe, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. "Si podemos convertir esa energía en una fuente de energía que podamos utilizar para la vida diaria, eso ayudaría a abordar los desafíos energéticos que enfrentamos en este momento ".

Los coautores de Isobe son Liang Fu, el profesor asociado de desarrollo de carrera Lawrence C. y Sarah W. Biedenharn de física en el MIT; y Su-yang Xu, un ex postdoctorado del MIT que ahora es profesor asistente de química en la Universidad de Harvard.

Rompiendo la simetría del grafeno

Durante la ultima decada, Los científicos han buscado formas de recolectar y convertir la energía ambiental en energía eléctrica utilizable. Lo han hecho principalmente a través de rectificadores, dispositivos que están diseñados para convertir ondas electromagnéticas de su corriente oscilante (alterna) en corriente continua.

La mayoría de los rectificadores están diseñados para convertir ondas de baja frecuencia como ondas de radio, utilizando un circuito eléctrico con diodos para generar un campo eléctrico que puede dirigir las ondas de radio a través del dispositivo como una corriente continua. Estos rectificadores solo funcionan hasta una cierta frecuencia, y no han podido acomodar el rango de terahercios.

Algunas tecnologías experimentales que han podido convertir ondas de terahercios en corriente continua lo hacen solo a temperaturas ultrafrías, configuraciones que serían difíciles de implementar en aplicaciones prácticas.

En lugar de convertir las ondas electromagnéticas en una corriente continua mediante la aplicación de un campo eléctrico externo en un dispositivo, Isobe se preguntó si, a nivel de la mecánica cuántica, los propios electrones de un material podrían ser inducidos a fluir en una dirección, para dirigir las ondas de terahercios entrantes a una corriente continua.

Tal material tendría que estar muy limpio, o libre de impurezas, para que los electrones del material fluyan sin dispersar las irregularidades del material. Grafeno encontró, era el material de partida ideal.

Para dirigir los electrones del grafeno para que fluyan en una dirección, tendría que romper la simetría inherente del material, o lo que los físicos llaman "inversión". Normalmente, los electrones del grafeno sienten una fuerza igual entre ellos, lo que significa que cualquier energía entrante dispersaría los electrones en todas direcciones, simétricamente. Isobe buscó formas de romper la inversión del grafeno e inducir un flujo asimétrico de electrones en respuesta a la energía entrante.

Mirando a través de la literatura, descubrió que otros habían experimentado con el grafeno colocándolo sobre una capa de nitruro de boro, una red similar en forma de panal hecha de dos tipos de átomos:boro y nitrógeno. Descubrieron que en este arreglo, las fuerzas entre los electrones del grafeno se desequilibraron:los electrones más cercanos al boro sintieron una cierta fuerza, mientras que los electrones más cercanos al nitrógeno experimentaron un tirón diferente. El efecto general fue lo que los físicos llaman "dispersión sesgada, "en el que las nubes de electrones sesgan su movimiento en una dirección.

Isobe desarrolló un estudio teórico sistemático de todas las formas en que los electrones en el grafeno podrían dispersarse en combinación con un sustrato subyacente como el nitruro de boro. y cómo esta dispersión de electrones afectaría cualquier onda electromagnética entrante, particularmente en el rango de frecuencia de terahercios.

Descubrió que los electrones eran impulsados ​​por ondas entrantes de terahercios para inclinarse en una dirección, y este movimiento sesgado genera una corriente continua, si el grafeno fuera relativamente puro. Si existieran demasiadas impurezas en el grafeno, actuarían como obstáculos en el camino de las nubes de electrones, haciendo que estas nubes se dispersen en todas direcciones, en lugar de moverse como uno.

"Con muchas impurezas, este movimiento sesgado acaba oscilando, y cualquier energía de terahercios entrante se pierde a través de esta oscilación, "Explica Isobe." Así que queremos una muestra limpia para obtener un movimiento sesgado de manera efectiva ".

Una sola dirección

También encontraron que cuanto más fuerte es la energía entrante en terahercios, cuanta más energía pueda convertir un dispositivo en corriente continua. Esto significa que cualquier dispositivo que convierta los rayos T también debe incluir una forma de concentrar esas ondas antes de que entren en el dispositivo.

Con todo esto en mente Los investigadores elaboraron un plano para un rectificador de terahercios que consiste en un pequeño cuadrado de grafeno que se asienta sobre una capa de nitruro de boro y se intercala dentro de una antena que recolectaría y concentraría la radiación ambiental de terahercios. aumentando su señal lo suficiente como para convertirla en una corriente continua.

"Esto funcionaría de manera muy similar a una celda solar, excepto por un rango de frecuencia diferente, para recolectar y convertir pasivamente la energía ambiental, "Fu dice.

El equipo ha presentado una patente para el nuevo diseño de "rectificación de alta frecuencia", y los investigadores están trabajando con físicos experimentales en el MIT para desarrollar un dispositivo físico basado en su diseño, que debería poder trabajar a temperatura ambiente, frente a las temperaturas ultrafrías requeridas para los rectificadores y detectores de terahercios anteriores.

"Si un dispositivo funciona a temperatura ambiente, podemos usarlo para muchas aplicaciones portátiles, "Dice Isobe.

Él prevé que, en el futuro cercano, se pueden utilizar rectificadores de terahercios, por ejemplo, para alimentar implantes de forma inalámbrica en el cuerpo de un paciente, sin necesidad de cirugía para cambiar las pilas de un implante. Dichos dispositivos también podrían convertir las señales de Wi-Fi ambientales para cargar dispositivos electrónicos personales como computadoras portátiles y teléfonos celulares.

"Estamos tomando un material cuántico con cierta asimetría a escala atómica, que ahora se puede utilizar, que abre muchas posibilidades, "Fu dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.