Оптические антенны превращают любое тепло в энергию — подзарядиться можно даже от горячей плиты

Ректенны (rectifying antenna в переводе с англ. «выпрямляющая антенна») — это нелинейная антенна, которая преобразует энергию поля электромагнитной волны в энергию постоянного тока. Эти устройства улавливают электромагнитные волны подобно автомобильным антеннам, которые чувствительны к радиоволнам.

Когда антенна выпрямителя принимает сигнал, она генерирует колебательные заряды, которые проходят через подключенные выпрямительные диоды. Эти выпрямители впоследствии преобразуют колебания в постоянный электрический ток. 

Например, ректенны могли бы преобразовать в энергию тепло, исходящее от заводских труб или даже горячей плиты, их можно также добавлять к солнечным панелям, чтобы получать еще больше энергии. Ученые не исключают того, что использование ректенн способно помочь даже в борьбе с изменениями климата.

Однако не все так просто. Эффективность преобразования оптических антенн оказалась слишком низкой, чтобы сделать их полезными для таких сценариев. Проблема в том, что для улавливания теплового излучения ректенны должны быть чрезвычайно крошечными, но чем они меньше, тем выше их сопротивление и тем ниже их выходная мощность. 

Ученые из Колорадского университета в Боулдере (США) нашли способ существенно повысить эффективность оптической ректенны с помощью квантового эффекта, эквивалентного прохождению электронов сквозь стены. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

В обычных ректеннах электроны для выработки энергии должны проходить через изолятор (диэлектрик). Эти изоляторы добавляют большое сопротивление, уменьшая количество электричества, которое могут производить устройства. 

Используя нелогичную стратегию, исследователи добавили к своим антеннам два изолятора вместо одного. Они выяснили, что если выбрать правильную толщину и материалы диэлектрика, то в результате получится так называемая «квантовая яма» — узкий туннель, по которому электроны могут двигаться, не испытывая при этом сопротивления. Так ученые впервые доказали, что резонансное туннелирование электронов возможно с помощью оптических ректенн. 

Ученые испытали свыше 250 тыс. ректенн из разных материалов — никеля, хрома, золота и др. Все устройства продемонстрировали эффективность преобразования в 100–1000 раз больше, чем предыдущие оптические антенны.

Тем не менее, у новых ректенн этот показатель все равно остается небольшим — всего 0,001%. Поэтому исследователям все еще предстоит пройти долгий путь, хоть начало уже и положено.

Один из возможных способов дальнейшего повышения эффективности оптической антенны — эксперименты с различными материалами, через которые может проходить большее количество электронов. Ученые не исключают, что им удастся повысить эффективность преобразования еще в 1000 раз.