Физики придумали ректенну без диодов

Пример предложенной ректенны Между двумя желтыми приемниками расположен материал на основе хирального кристалла, который производит ток
Isobe et al. / Science Advances, 2020

Американские физики описали устройство выпрямляющей антенны, в которой не используются диоды. Такая конструкция более чувствительна и энергоэффективна, и в перспективе с ее помощью можно будет подзаряжать мобильные устройства от радиоволн. Кроме того, она устраняет терагерцовый зазор. Статья опубликованав журнале Science Advances.

В середине XX века было изобретен способ получения постоянного тока от радиоволн. Для него необходима ректенна — выпрямляющая антенна. В ее конструкции применяют диоды, которые пропускают ток только в одну сторону. Проблема в том, что диоды обладают двумя фундаментальными недостатками. Во-первых, у них есть пороговое минимальное напряжение для срабатывания, то есть либо радиоизлучение должно быть очень мощным, либо антенна большой. Во-вторых, ток через них начинает течь только через небольшое время после его подачи, что мешает использовать высокие частоты.

Эти и другие проблемы снижают эффективность получения электричества из радиоволн, хотя некоторые современные миниатюрные приборы потребляют микроватты энергии, и гипотетически их бы можно было запитать от роутера или даже использовать дистанционную зарядку мобильных устройств. Кроме того, между рабочими частотами фото- и радиодиодов существует зазор, из-за чего на данный момент трудно обнаруживать волны в диапазоне от 0,1 до 10 терагерц.

Группа ученых из Массачусетского технологического института под руководством Хироки Исобэ (Hiroki Isobe) предложила альтернативную конструкцию ректенны, не использующую диоды. Вместо этого они предполагают использовать нелинейную электрическую реакцию нецентросимметричных кристаллов.

Дело в том, что некоторые материалы производят постоянный ток, будучи помещенными во внешнее колеблющееся электрическое поле. У них нет ни минимального напряжения для срабатывания, ни задержки. Поскольку нелинейная электрическая реакция появляется в том числе при терагерцевом и инфракрасном излучении, бездиодные ректенны устраняют терагерцовый зазор и могут заменить болометры, которые сейчас используются для обнаружения ИК-излучения, но также срабатывают с задержкой.

Ключевым элементом для этой технологии являются нецентросимметричные, хиральные кристаллы, то есть такие, чья одна половина не равна зеркальному отражению второй. Авторы предложили создавать такие кристаллы из графена из-за его проводящих свойств, но в то же время в чистом виде он симметричен. Для нарушения этой симметрии можно один слой графена дополнить подложкой из нитрида бора, или три слоя сложить так, чтобы атомы в получившимся кристалле образовывали неправильный треугольник. Если к материалу из таких кристаллов присоединить антенну, то он будет эффективно производить ток из радиоволн, даже если они слабы.

Недавно из графена также сделали светодетектор и аномальный магнит. На эффекте, схожем с нелинейным электрическим ответом, строится нелинейная оптика, на основе которой смогли создать дешевый дефектоскоп для двумерных материалов.

Василий Зайцев

Источник: N+1