科学家首次展示最有效的光学整流天线即从热能中获取能量的设备

科罗拉多大学博尔德分校的科学家已经利用电子的类似窃电分子的特性来设计可以捕获环境中多余热量并将其转化为可用电能的设备。研究人员在今天发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中描述了他们的新“光学整流天线” 。这些设备太小，无法用肉眼看到，其效率比用于能量收集的类似工具高100倍。他们通过一个称为“共振隧穿”的神秘过程实现了这一壮举，在这种过程中，电子无需消耗任何能量即可穿过固体物质。

主要作者阿米娜·贝尔卡迪(Amina Belkadi)说：“它们像鬼一样进入。”她最近获得了博士学位。来自电气，计算机和能源工程系(ECEE)。

她解释说，Rectennas(“整流天线”的缩写)的工作有点像车载无线电天线。但是，光整流天线不是拾取无线电波并将其转变为音调，而是吸收光和热并将其转换为功率。

它们也是可再生能源领域潜在的游戏规则改变者。从理论上讲，工作中的整流天线可以从工厂的烟囱或面包店烤箱中获取热量，否则这些热量将被浪费掉。一些科学家甚至提议将这些设备安装在飞船上，飞船将飞越地球表面，以捕获从地球辐射到外太空的能量。

但是，到目前为止，整流天线还无法达到实现这些目标所需的效率。直到现在，也许。在这项新研究中，贝尔卡迪(Belkadi)和她的同事们设计了有史以来第一个能够产生能量的整流天线。

她说：“我们首次证明了电子在能量收集光学整流天线中经历共振隧穿。” “直到现在，这只是理论上的可能性。”

这项研究的合著者，欧洲电子工程师学会(ECEE)教授Garret Moddel表示，这项研究是这项技术的一项重大进步。

他说：“这项创新朝着使整流天线更加实用迈出了重要的一步。” “目前，效率确实很低，但是会增加。”

一个无与伦比的问题

实际上，Moddel在这些设备上写过这本书是一个期待已久的发展。自1964年以来，当一个名叫William C. Brown的工程师使用微波为一架小型直升机提供动力时，直肠就存在了。它们是相对简单的工具，由吸收辐射的天线和将能量转换为直流电流的二极管组成。

他说：“这就像一个无线电接收器，以电磁波的形式拾取光。”

但是，问题在于，不仅要捕获微波，而且要捕获热辐射，整流天线必须非常小，比人的头发要薄很多倍。这可能会导致一系列问题。例如，电气设备越小，其电阻就变得越高，这会缩小整流天线的功率输出。

Belkadi说：“您需要使该设备具有非常低的电阻，但还需要对光有真正的响应能力。” “您所做的任何以一种方式使设备更好的事情都会使另一种情况变得更糟。”

换句话说，几十年来，光学整流天线似乎是双赢的局面。直到包括博士后研究员Ayendra Weerakkody在内的Belkadi和她的同事们找到了解决方案：为什么不完全避开这个障碍?

幽灵般的解决方案

团队的方法依赖于量子领域的一种奇怪性质。

Belkadi解释说，在传统的整流天线中，电子必须通过绝缘体才能发电。这些绝缘体为设备增加了很多电阻，从而减少了工程师可以消耗的电量。

然而，在最新研究中，研究人员决定在设备中增加两个绝缘子，而不仅仅是一个。这种添加具有产生一种被称为量子“阱”的高能现象的反直觉效果。如果电子恰好以适当的能量击中该电子，则它们可以使用它来隧穿两个绝缘体-在此过程中不会遇到任何阻力。这与幽灵在不受干扰的墙壁上漂流没有什么不同。Moddel研究小组的一名研究生先前曾提出过这样的理论，即在光学整流天线中这种光谱行为是可能的，但是直到现在，还没有人能够证明这一点。

贝尔卡迪说：“如果正确选择材料并使其厚度合适，那么它将在电子看不见电阻的情况下产生这种能级。” “他们只是放大。”

这意味着更大的力量。为了测试这种怪异的效果，Belkadi和她的同事们在实验室的加热板上排列了一个大约25万个整流天线的网络，这些天线的形状像个小蝴蝶结。然后他们提高了热量。

这些设备只能捕获不到1%的热板产生的热量。但是Belkadi认为这些数字只会上升。

她说：“如果我们使用不同的材料或更换绝缘子，那么我们也许可以做得更好。” “阱越深，越多的电子可以通过。”

Moddel期待有一天，从地面上的太阳能电池板到空中比空气轻的车辆，整流天线都可以安装在所有物体的顶部：“如果您能够捕获散发到深空的热量，那么您可以随时随地获得电力。”

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