麻省理工学院朱棣文教授 太赫兹波在我们的日常生活中无处不在，如果加以利用，它们集中的能量有可能成为一种替代能源
例如，想象一下，一个手机附件被动地吸收周围的紫外线，并利用它们的能量给你的手机充电
荣誉:麻省理工学院何塞-路易斯·奥利瓦雷斯 任何发出无线信号的设备都会发射太赫兹波——频率介于微波和红外光之间的电磁波
这些被称为“T射线”的高频辐射波也是由记录温度的几乎任何东西产生的，包括我们自己的身体和我们周围的无生命物体
太赫兹波在我们的日常生活中无处不在，如果加以利用，它们集中的能量有可能成为一种替代能源
例如，想象一下，一个手机附件被动地吸收周围的紫外线，并利用它们的能量给你的手机充电
然而，到目前为止，太赫兹波是浪费的能量，因为没有实用的方法来捕获它们并将其转换成任何可用的形式
现在，麻省理工学院的物理学家已经提出了一种设备的蓝图，他们相信这种设备能够将周围的太赫兹波转换成直流电，一种为许多家用电子设备供电的电流形式
他们的设计利用了碳材料石墨烯的量子力学或原子行为
他们发现，通过将石墨烯与另一种材料结合，在这种情况下是氮化硼，石墨烯中的电子应该会使它们的运动偏向一个共同的方向
任何进入的太赫兹波都应该像许多微型空中交通控制器一样，以直流电的形式“穿梭”石墨烯的电子，使其以单一方向流过材料
研究人员今天在《科学进步》杂志上发表了他们的结果，并与实验学家合作，将他们的设计转化为物理设备
“我们被太赫兹波段的电磁波所包围，”麻省理工学院材料研究实验室的博士后、第一作者伊泽贝说
“如果我们能够将这种能源转化为我们日常生活中可以使用的能源，这将有助于解决我们目前面临的能源挑战
" 伊泽贝的合著者是傅亮
莎拉·W
麻省理工学院物理学职业发展副教授；苏-杨旭，前麻省理工学院博士后，现为哈佛大学化学助理教授
打破石墨烯的对称性 在过去的十年里，科学家们一直在寻找获取环境能量并将其转化为可用电能的方法
他们主要是通过整流器来实现的，整流器是一种将电磁波从振荡(交流)电流转换成直流电的装置
大多数整流器设计用于转换无线电波等低频波，利用带有二极管的电路产生电场，该电场可以将无线电波作为DC电流引导通过该设备
这些整流器只能工作到某个频率，并且不能适应太赫兹范围
一些能够将太赫兹波转换成DC电流的实验技术只能在超低温下实现——这种设置在实际应用中很难实现
伊泽贝没有通过在设备中施加外部电场将电磁波转化为DC电流，而是想知道，在量子力学的层面上，是否可以诱导材料自身的电子向一个方向流动，从而将入射的太赫兹波转化为DC电流
这种材料必须非常干净，或者没有杂质，以便材料中的电子能够流过，而不会散射掉材料中的不规则性
他发现石墨烯是理想的起始材料
研究人员论文中的示意图显示了一个绿色的正方形，它代表了另一种材料正方形上的石墨烯
红线代表太赫兹波
蓝色三角形代表围绕正方形的天线，用于捕获太赫兹波并将波聚焦到正方形上
学分:麻省理工学院 为了引导石墨烯的电子向一个方向流动，他必须打破材料固有的对称性，或者物理学家所说的“反转”
“通常情况下，石墨烯的电子之间感受到的力是相等的，这意味着任何进入的能量都会对称地将电子分散到各个方向
伊泽贝寻找方法来打破石墨烯的反转，并诱导不对称的电子流来响应输入的能量
通过查阅文献，他发现其他人已经通过将石墨烯放在氮化硼层上进行了实验，氮化硼是一种由两种类型的原子——硼和氮——组成的类似蜂窝状网格
他们发现，在这种排列中，石墨烯电子之间的力失去了平衡:靠近硼的电子感受到了某种力，而靠近氮的电子感受到了不同的拉力
总体效果是物理学家所说的“偏斜散射”，即电子云向一个方向偏斜运动
伊泽贝开展了一项系统的理论研究，研究了石墨烯中的电子与下方衬底(如氮化硼)结合时可能散射的所有方式，以及这种电子散射将如何影响任何入射电磁波，特别是在太赫兹频率范围内
他发现电子被入射的太赫兹波驱动向一个方向倾斜，如果石墨烯相对纯净，这种倾斜运动会产生DC电流
如果石墨烯中确实存在太多的杂质，它们会成为电子云路径上的障碍，导致电子云向各个方向散射，而不是像一个整体一样移动
伊泽贝解释说:“有了许多杂质，这种倾斜的运动最终只是振荡，任何进入的太赫兹能量都会因这种振荡而损失。”
“所以我们想要一个干净的样本，以有效地得到一个倾斜的运动
" 单向 他们还发现，入射的太赫兹能量越强，设备能够转换成DC电流的能量就越多
这意味着任何转换x光的设备都应该包括一种在这些波进入设备之前将其集中的方法
考虑到所有这些，研究人员绘制了一个太赫兹整流器的蓝图，它由一个小正方形的石墨烯组成，位于一层氮化硼之上，夹在一个天线内，可以收集和集中周围的太赫兹辐射，增强其信号，足以将其转换成DC电流。
“除了不同的频率范围之外，它的工作原理非常类似于太阳能电池，被动地收集和转换周围的能量，”傅说
该团队已经为新的“高频整流”设计申请了专利，研究人员正在与麻省理工学院的实验物理学家合作，根据他们的设计开发一种物理设备，该设备应该能够在室温下工作，而以前的太赫兹整流器和探测器需要超低温
伊泽贝说:“如果一个设备在室温下工作，我们可以将它用于许多便携式应用。”
他设想，在不久的将来，太赫兹整流器可以用于，例如，给病人体内的植入物无线供电，而不需要手术来更换植入物的电池
这种设备还可以转换周围的无线信号，为笔记本电脑和手机等个人电子设备充电
“我们正在研究一种在原子尺度上具有某种不对称性的量子材料，这种材料现在可以被利用，这就带来了很多可能性，”傅说
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