利用电子“共振隧穿”效应 新型光整流天线收集能量效率提高百倍
- 来源：科技日报
- 2021-05-25 16:49:40
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在近日出版的《自然·通讯》杂志上，介绍了一项能源研究的新进展：美国科罗拉多博尔德大学科学家利用电子神奇的“共振隧穿”效应，设计出一种能从环境中捕获多余热量并将其转化为可用电力的设备。
研究人员将这种新设备称为“光整流天线”(optical rectennas)，虽然非常小，但其效率大约是类似能量收集设备的100倍。达到如此高的效率，正是利用了“共振隧穿”效应——电子在不消耗任何能量的情况下穿过固体物质。这项成果使光整流天线朝着更加实用的方向迈出了重要一步。
整流天线开发于上世纪六七十年代，由吸收辐射的天线和将能量转化为直流电流的二极管组成。为了捕获热辐射，整流管必须足够小。然而设备越小，其电阻就越高，这会缩小功率输出。因此，让整流天线不仅具有非常低的电阻，还能捕获光一直是此类设备研发面临的挑战。
此次，研究人员设计了迄今首个能够发电的整流天线。该研究论文主要作者阿米娜·贝尔卡迪说：“我们首次证明了，在能量收集整流天线中电子发生了共振隧穿。”
贝尔卡迪解释说，在传统整流天线中，电子必须通过绝缘体才能发电。这些绝缘体给设备增加了很大电阻，减少了可输出电量。
而在最新研究中，他们在设备上增加了两个绝缘体，而不是一个。这产生一种叫作量子“阱”的效应。如果电子以恰到好处的能量击中这个阱，就可以利用它穿过两个绝缘体，且在这个过程中不会遇到任何阻力。“如果你选择合适的材料，合适的厚度，就能使电子畅通无阻。”贝尔卡迪说，就像幽灵一般“穿墙而过”。
为了测试这种效应，研究人员在实验室的热板上排列了一个由25万个整流天线组成的网络，发现其捕获的热量尚不足1%。但贝尔卡迪认为这个数字还会继续上升，“如果使用不同的材料或改变绝缘体，让阱更深，就会有更多电子通过。”
光整流天线有望给可再生能源领域带来变革，比如收集工厂烟囱或烘焙烤箱发出的热量，一些科学家甚至设想将其安装在地球上空的航天器上，捕获从地球辐射到外太空的能量。研究合作者加雷特·莫德尔教授说：“如果你能捕获辐射到外层空间的热量，那么你就能在任何时间、任何地点获得电力。”(实习记者张佳欣)
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