@ 2018.02.10 , 12:00

利用量子隧穿从背景热辐射中提取能量

科学家们想出了一种方法,将多余的红外辐射和废热转化为我们可以使用的电能。

这个绝妙的主意涉及到了量子物理中奇奇怪怪的量子隧穿效应这一概念,关键的技术是做出一种专门设计的天线,可以接收热辐射红外线的高频电磁波,将这些千万亿分之一秒的波形信号转换成电荷。

实际上,我们的四周充斥着大量无法被收集利用的能量——阳光携带的绝大部分热量被地表,海洋和大气所吸收。

吸收了热量的物体,温度升高,向外发出红外辐射。据估计我们的地球每秒钟辐射的红外线功率可达数百万千兆瓦。

由于红外线的波长很小,为了接受它们,我们需要超小型的天线。根据一支国际联合科研团队的研究成果,量子隧道效应成为了相关技术的重要突破点。

来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的首席研究员Atif Shamim表示:“世界上不存在以如此高的频率工作的二极管。这就是为什么我们把希望寄托在量子力学上。”

量子隧穿是量子物理学中一个已经得到充分验证的现象:一个粒子可以在能量不足的情况下穿越某处屏障。

教科书上最常用的一个类比例子就是山脚下的小球:在经典物理学中,你需要赋予小球足够的动能才能让它滚动到山顶,然后再顺坡滚动到山的另一边。

但是在量子物理学中,由于物体的位置和动量具有“不确定性”的制约关系——这是量子力学中的核心概念,因此小球可以用更少的能量穿山而过,到达山的另一边。

这和我们纳米级的接受天线有什么关系?

它可以使电子穿越一个小小的屏障,作为像金属—绝缘体—金属(MIM)二极管这样的隧穿器件,将红外辐射转换成电流。

科学家们能够制造出一种领结形状的纳米天线,将绝缘体薄膜夹在由金和钛制成的两个稍微重叠的金属臂之间,金属之间提供了能够产生隧穿效应所需的强电场。

利用量子隧穿从背景热辐射中提取能量
两边是接收天线,延伸出的三角区域就是天线的臂,中间重叠的部分就是相当于mim二极管|pic:KAUST

研究人员之一,来自KAUST的Gaurav Jayaswal说:“最具挑战性的部分是调整两支天线延伸出的金属臂之间纳米级的重叠,这需要非常精准的操作。尽管如此,出色实验的技巧与KAUST高端的纳米加工设备相结合,我们成功地做到了。”

新制造的MIM二极管能够在零电压下成功接收到红外辐射,因此只在需要时才开启。

传统的太阳能电池板只能收集一小部分可见光谱中热量,而能够利用起所有这些额外的红外辐射的技术,将代表能源生产方式进入了革命性的发展阶段,用研究人员的话语就是成为“规则改变者”。

更重要的是,它们与太阳能发电厂不同,无论天气如何,这些能源收割机都可以全天候运行。其他科学家正在试图从不同的方向来攻克这样的问题。

尽管前景极其宏大,但目前的进展还只是沿着既定目标前进的一小步,依然存在着许多技术上的挑战——例如,目前天线的能量转化效率并不高。

Shamim说:“这只是一个开始——证明这是一个可行的概念。”

最终,科技发展点滴积累,形成天翻地覆的大变革。他补充说:“我们还是可以一气连接数百万台这样的设备来提高发电总量。”

这项研究已经发表在Materials Today Energy上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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