利用量子隧穿從背景熱輻射中提取能量

類別: 新奇
majer@ 2018.02.10 , 12:00
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利用量子隧穿從背景熱輻射中提取能量

科學家們想出了一種方法,將多餘的紅外輻射和廢熱轉化為我們可以使用的電能。

這個絕妙的主意涉及到了量子物理中奇奇怪怪的量子隧穿效應這一概念,關鍵的技術是做出一種專門設計的天線,可以接收熱輻射紅外線的高頻電磁波,將這些千萬億分之一秒的波形訊號轉換成電荷。

實際上,我們的四周充斥著大量無法被收集利用的能量——陽光攜帶的絕大部分熱量被地表,海洋和大氣所吸收。

吸收了熱量的物體,溫度升高,向外發出紅外輻射。據估計我們的地球每秒鐘輻射的紅外線功率可達數百萬千兆瓦。

由於紅外線的波長很小,為了接受它們,我們需要超小型的天線。根據一支國際聯合科研團隊的研究成果,量子隧道效應成為了相關技術的重要突破點。

來自沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)的首席研究員Atif Shamim表示:“世界上不存在以如此高的頻率工作的二極體。這就是為什麼我們把希望寄託在量子力學上。”

量子隧穿是量子物理學中一個已經得到充分驗證的現象:一個粒子可以在能量不足的情況下穿越某處屏障。

教科書上最常用的一個類比例子就是山腳下的小球:在經典物理學中,你需要賦予小球足夠的動能才能讓它滾動到山頂,然後再順坡滾動到山的另一邊。

但是在量子物理學中,由於物體的位置和動量具有“不確定性”的制約關係——這是量子力學中的核心概念,因此小球可以用更少的能量穿山而過,到達山的另一邊。

這和我們奈米級的接受天線有什麼關係?

它可以使電子穿越一個小小的屏障,作為像金屬—絕緣體—金屬(MIM)二極體這樣的隧穿器件,將紅外輻射轉換成電流。

科學家們能夠製造出一種領結形狀的奈米天線,將絕緣體薄膜夾在由金和鈦製成的兩個稍微重疊的金屬臂之間,金屬之間提供了能夠產生隧穿效應所需的強電場。

利用量子隧穿從背景熱輻射中提取能量
兩邊是接收天線,延伸出的三角區域就是天線的臂,中間重疊的部分就是相當於mim二極體|pic:KAUST

研究人員之一,來自KAUST的Gaurav Jayaswal說:“最具挑戰性的部分是調整兩支天線延伸出的金屬臂之間奈米級的重疊,這需要非常精準的操作。儘管如此,出色實驗的技巧與KAUST高階的奈米加工裝置相結合,我們成功地做到了。”

新制造的MIM二極體能夠在零電壓下成功接收到紅外輻射,因此只在需要時才開啟。

傳統的太陽能電池板只能收集一小部分可見光譜中熱量,而能夠利用起所有這些額外的紅外輻射的技術,將代表能源生產方式進入了革命性的發展階段,用研究人員的話語就是成為“規則改變者”。

更重要的是,它們與太陽能發電廠不同,無論天氣如何,這些能源收割機都可以全天候執行。其他科學家正在試圖從不同的方向來攻克這樣的問題。

儘管前景極其巨集大,但目前的進展還只是沿著既定目標前進的一小步,依然存在著許多技術上的挑戰——例如,目前天線的能量轉化效率並不高。

Shamim說:“這只是一個開始——證明這是一個可行的概念。”

最終,科技發展點滴積累,形成天翻地覆的大變革。他補充說:“我們還是可以一氣連線數百萬臺這樣的裝置來提高發電總量。”

這項研究已經發表在Materials Today Energy上。

本文譯自sciencealert,由譯者majer基於創作共用協議(BY-NC)釋出。

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