Naukowcy odkryli nowy sposób kontrolowania niezwykłego zjawiska kwantowego, który w przyszłości może umożliwić zasilanie urządzeń elektronicznych bez użycia baterii.
Kluczem do nowej technologii jest tak zwany nieliniowy efekt Halla (NLHE). Aby zrozumieć jego wyjątkowość, warto przypomnieć sobie klasyczną fizykę. W tradycyjnym efekcie Halla napięcie elektryczne powstaje prostopadle do płynącego prądu, ale wymaga to obecności silnego pola magnetycznego.
Wariacja nieliniowa, którą zbadali naukowcy pod kierunkiem profesora Dongchena Qi z Queensland University of Technology oraz profesora Xiao Renshawa Wanga z Nanyang Technological University w Singapurze, działa zupełnie inaczej. Nie potrzebuje magnesów, a co ważniejsze, potrafi przetwarzać prąd zmienny bezpośrednio na prąd stały.
Oznacza to, iż materiał wykazujący to zjawisko może działać jak miniaturowa antena i prostownik w jednym. Nieliniowy efekt Halla pozwala więc zamienić fale elektromagnetyczne, którymi jesteśmy otoczeni, od Wi-Fi po sygnały komórkowe, w stabilny prąd stały, niezbędny do zasilania chipów czy czujników. Wszystko to dzieje się bez użycia nieporęcznych diod czy innych skomplikowanych układów scalonych, które zwykle odpowiadają za konwersję prądu.
Fizyka kwantowa opuszcza laboratorium
NLHE to złożone zjawisko kwantowe w fizyce materii skondensowanej, w którym napięcie jest generowane prostopadle do przyłożonego prądu przemiennego, choćby w przypadku braku pola magnetycznego – wyjaśnia profesor Dongchena Qi z Wydziału Chemii i Fizyki Queensland University of Technology.
Dodaje on, iż efekt ten pozwala przetwarzać sygnały przemienne bezpośrednio na prąd stały, który jest niezbędny do zasilania urządzeń elektronicznych. W zasadzie oznacza to czujniki lub układy scalone, które mogłyby działać bez baterii, czerpiąc energię z otoczenia. Wyniki tych badań opublikowano w czasopiśmie Newton.
Aby lepiej zrozumieć, jak działa ten efekt, naukowcy zbadali wysokiej jakości materiał topologiczny, znany ze swojego niezwykłego zachowania elektronicznego.
Ich eksperymenty wykazały, iż nieliniowy efekt Halla pozostaje stabilny choćby w temperaturze pokojowej, co stanowi istotny krok w kierunku praktycznych zastosowań poza laboratorium.
Więcej na Spider’s Web:
Elektronika przyszłości może być mniejsza i szybsza
Zespół odkrył również, iż temperatura odgrywa kluczową rolę w określaniu siły i kierunku napięcia elektrycznego wytwarzanego przez materiał.
W niższych temperaturach, drobne niedoskonałości materiału miały największy wpływ na efekt kwantowy. Wraz ze wzrostem temperatury, naturalne drgania występujące w strukturze krystalicznej nabierały coraz większego znaczenia.
Zmiana ta spowodowała odwrócenie kierunku generowanego sygnału elektrycznego, ujawniając dotychczas nieznany mechanizm kontrolowania tego zjawiska.
Gdy zrozumiesz, co dzieje się wewnątrz materiału, możesz zaprojektować urządzenia, które to wykorzystają. Wtedy właśnie efekty kwantowe przestają być abstrakcyjne i zaczynają być użyteczne – wspierając przyszłe zastosowania, od czujników z własnym zasilaniem i technologii noszonych po ultraszybkie komponenty dla sieci bezprzewodowych nowej generacji – powiedział profesor Qi.
Samowystarczalne czujniki i sieci nowej generacji
Przejście od teorii do praktycznych aplikacji w elektronice użytkowej zajmie jeszcze trochę czasu, ale potencjalne korzyści są ogromne. Pierwszymi beneficjentami tego odkrycia będą prawdopodobnie urządzenia z segmentu Internetu Rzeczy (IoT) oraz elektronika noszona, taka jak inteligentne opaski czy sensory medyczne.
Zamiast polegać na akumulatorach, które trzeba regularnie ładować lub utylizować, urządzenia te mogłyby nieprzerwanie czerpać energię ze smogu elektromagnetycznego generowanego przez otaczającą nas infrastrukturę miejską.
Ponadto technologia ta ma szansę znaleźć zastosowanie w ultraszybkich komponentach dedykowanych sieciom bezprzewodowym nowej generacji. Umiejętność bezpośredniego i bezstratnego przetwarzania sygnałów o wysokiej częstotliwości na poziomie samego materiału to prosty przepis na szybszy i bardziej energooszczędny transfer danych.
Kwantowe adekwatności materii powoli przestają być wyłącznie domeną akademickich rozważań, stając się fundamentem dla technologii, które realnie wpłyną na kształt przyszłej elektroniki.
