Credit: Unsplash/ CC0公共领域科罗拉多大学博尔德分校的科学家利用电子的一种类似恶作剧的特性，设计出能够从环境中捕捉多余热量的装置——并将其转化为可用的电能。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这种新的“光学整流天线”。这些设备太小，肉眼看不到，其效率大约是用于能量收集的类似工具的100倍。他们通过一种被称为“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就能穿过固体物质。
“它们像幽灵一样消失了，”主要作者阿米娜·贝尔卡迪说，她最近获得了ECEE电气、计算机和能源工程系的博士学位。
她解释说，整流天线的工作原理有点像汽车无线电天线。但是，光学整流天线不是接收无线电波并将其转换成曲调，而是吸收光和热并将其转换成能量。
他们也是可再生能源领域潜在的游戏改变者。理论上，工作的整流天线可以从工厂的烟囱或面包房的烤箱中获取热量，否则这些热量会被浪费掉。一些科学家甚至提议将这些设备安装在飞艇上，这些飞艇将在地球表面上空高高飞行，以捕捉从地球辐射到外层空间的能量。
但是，到目前为止，硅整流天线还没有达到实现这些目标所需的效率。也许直到现在。在新的研究中，贝尔卡迪和她的同事设计了第一个能够发电的整流天线。
“我们首次展示了电子在能量收集光学整流天线中经历共振隧穿，”她说。“直到现在，这只是一种理论上的可能性。”
该研究的合著者、ECEE大学的Garret Moddel教授说，这项研究是这项技术的一大进步。
“这项创新朝着让硅整流天线更加实用的方向迈出了重要的一步，”他说。“现在，效率确实很低，但还会提高。”
无法解决的问题
这是一个Moddel期待已久的发展，他确实在这些设备上写了这本书。自1964年一位名叫威廉·c·布朗的工程师利用微波为一架小型直升机提供动力以来，整流天线就一直存在。它们是相对简单的工具，由吸收辐射的天线和将能量转换成DC电流的二极管组成。
“它就像一个无线电接收器，以电磁波的形式接收光，”他说。
然而，问题是，为了捕捉热辐射而不仅仅是微波，硅整流天线需要非常小——比人类头发细很多倍。这可能会导致一系列问题。例如，一个电子设备越小，它的电阻就变得越高，这会缩小硅整流天线的功率输出。
贝尔卡迪说:“你需要这种设备具有非常低的电阻，但它也需要对光有真正的响应。“你做的任何让设备在某一方面变得更好的事情，都会让另一方面变得更糟。”
换句话说，几十年来，光学硅整流天线看起来像是一个没有胜利的场景。直到贝尔卡迪和她的同事们，包括博士后研究员艾伦德拉·威拉柯迪，找到了一个解决方案:为什么不完全避开这个障碍？
鬼主意
该团队的方法依赖于量子领域的一个奇怪特性。
贝尔卡迪解释说，在传统的整流天线中，电子必须通过绝缘体才能发电。这些绝缘体给设备增加了很大的电阻，减少了工程师可以排出的电量。
然而，在最新的研究中，研究人员决定在他们的设备上增加两个绝缘体，而不仅仅是一个。这种增加产生了一种违反直觉的效应，产生了一种叫做量子“井”的能量现象。如果电子以正确的能量击中这个阱，它们可以用它来穿过两个绝缘体——在这个过程中没有遇到任何阻力。这就像一个幽灵穿过一堵没有被扰乱的墙。莫德德尔研究小组的一名研究生此前曾提出理论，认为这种光谱行为在光学整流天线中是可能的，但直到现在，还没有人能够证明这一点。
贝尔卡迪说:“如果你选择合适的材料，并使它们达到合适的厚度，那么它就会产生这种电子看不到电阻的能级。“他们只是快速通过。”
这意味着更多的权力。为了测试这种怪异的效果，贝尔卡迪和她的同事们在实验室的热板上排列了一个由大约25万个整流天线组成的网络，这些整流天线的形状像极了小蝴蝶结。然后他们加大了热度。
这些装置能够捕获的热板产生的热量不到1%。但是贝尔卡迪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体，那么我们可能能够让油井变得更深。"井越深，越多的电子可以一路通过."
Moddel期待着有一天，硅整流天线可以坐在从地面的太阳能电池板到空中的轻于空气的交通工具的所有东西上面:“如果你能捕获辐射到深空的热量，那么你就可以随时随地获得电力。”
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