太赫茲波屬于電磁波，其頻率介于微波和紅外光之間，也稱為“T射線”。幾乎所有存在溫度的物體都會產生這種高頻輻射波，例如我們的身體以及周圍的無生命物體。

太赫茲波在日常生活中無處不在，如果能夠將這些能量匯集起來，或能夠作為一種替代能源。例如，想象一下有這么一個手機附件，它可以被動吸收周圍的T射線并將之轉化成電能為手機充電。但迄今為止，太赫茲波依舊是一種不可利用的能量，因為還沒有切實可行的方法將其捕獲并轉換為任何可用的能量。最近，麻省理工學院的物理學家們提出了一種設備的設計藍圖。他們認為這種設備能夠將周圍的太赫茲波轉換成直流電，這種直流電可以為很多家用電子設備供電。他們的設計利用了量子力學，也就是碳材料石墨烯的原子行為。他們發現石墨烯與另一種材料（氮化硼）結合時，石墨烯中電子的運動將會向一個方向傾斜。就像是存在很多微小的“空中交警”一樣，任何入射的太赫茲波都會使石墨烯的電子，向直流電一樣沿單一方向流過材料。

研究人員在《科學進展》雜志上發表了這一研究結果，并且正在與實驗者合作，將他們的設計轉變為一種物理設備。Hiroki Isobe是麻省理工學院材料研究實驗室的博士后，也是論文的第一作者。“我們被太赫茲波段的電磁波所包圍”，他說，“如果我們能夠將這種能量轉換成可用于日常生活的能源，將有助于解決目前面臨的能源挑戰。”

打破石墨烯的對稱性

在過去的十年中，科學家一直在尋找各種方法來收集環境中的能量，并將其轉換為可用電能。他們主要是通過整流器來實現這一構想的，這種設備能夠將電磁波從振蕩電流轉換為直流電。大多數整流器是被設計用來轉換諸如無線電波之類的低頻波，它們利用帶有二極管的電路來產生一個電場，可將通過該設備的無線電波轉換成直流電。但這些整流器只能在特定頻率下工作，并不適用于太赫茲波。少數幾種能夠將太赫茲波轉換為直流電的實驗技術只能在超低溫度下完成。但在實際應用中，這些要求很難實現。Isobe沒有在設備中施加外部電場將電磁波轉換為直流電。他想知道在量子力學層面上，是否可以使得材料自身的電子被誘導向一個方向流動，以此將進入的太赫茲波轉換為直流電。

為了使材料中的電子流通而又不產生不規則的散射，這種材料必須非常干凈，沒有雜質。他發現石墨烯正是理想的原材料。通過查閱文獻，他發現其他人將石墨烯放在一層氮化硼層上進行實驗，氮化硼是由硼和氮兩種的原子構成類似蜂窩狀晶格。他們發現，在這種組合結構中，石墨烯電子受到的力不再平衡：靠近硼和氮的電子會感受到不同方向的力。

在這張示意圖中，綠色正方形代表了石墨烯（它在正方形的氮化硼材料上方）；紅線代表太赫茲波；藍色三角形代表圍繞正方形的天線（用于捕獲太赫茲波）。圖片來源：麻省理工學院Isobe進行一項系統的理論研究了在存在氮化硼層的情況下，石墨烯電子散射的所有情況，以及這種電子散射將如何影響傳入的電磁波，尤其是入射的太赫茲波。他發現電子受到入射太赫茲波的驅動會向一個方向傾斜，如果石墨烯相對純凈，這種傾斜運動會產生直流電。如果石墨烯中存在大量雜質，它們將成為電子云運動路徑上的阻礙，導致這些電子云向各個方向散射，而不是向同一方向流動。“由于存在許多雜質，這種傾斜運動最終會產生振蕩。任何傳入的太赫茲能量都會通過這種振蕩而損失掉，”Isobe解釋道，“因此，我們希望使用純凈的樣品來獲得有效的電子傾斜運動。”

一個方向的電流

他們還發現，傳入的太赫茲波的能量越強，設備就可以將越多的能量轉換直流電。這意味著所有用于轉換T射線的設備，還應該含有一個匯聚入射的太赫茲波的方法。考慮到所有的這些因素，研究人員提出了太赫茲波整流器的藍圖。這種整流器包括：一小塊的方形石墨烯，被夾在氮化硼層和天線中間。這些天線能夠收集并匯聚環境中的太赫茲波，增強它的信號并使其足夠轉換成直流電。Fu說：“除了利用的電磁波頻率范圍不同外，它非常類似于太陽能電池——以被動方式收集和轉換環境能量。”該團隊已為新的“高頻整流”設計申請了專利，他們正在與麻省理工學院的實驗物理學家合作，開發出一種能在室溫而不是超低溫環境下工作的物理設備。

Isobe說：“如果設備能在室溫下工作，我們就可以將它運用到許多便攜式的應用中。”他設想在不久的將來，太赫茲波整流器可能會被應用到一些領域，譬如利用無線的方式為患者體內的植入物供電。這一類設備還可以通過轉化周圍的Wi-Fi信號，為筆記本電腦和手機等個人電子設備充電。Fu說，“我們找到了一種可以使用的、在原子尺度上具有不對稱性的量子材料。這帶來了大量新的可能性。”

原文標題：無處不在的太赫茲波，可以給手機充電？

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責任編輯：haq