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Nous sommes quotidiennement entourés d’ondes térahertz émises par les nombreux appareils électroniques de notre environnement. Ces ondes T transportent une certaine quantité d’énergie inexploitée. Longtemps, les physiciens et ingénieurs ont cherché un moyen de capturer ces ondes pour les transformer en électricité, afin d’obtenir une source énergie pratiquement omniprésente. Récemment, des physiciens du MIT ont proposé un prototype à base de graphène et de nitrure de bore, capable de capturer et concentrer ces ondes afin de les transformer en énergie utilisable.

Tout appareil qui envoie un signal Wi-Fi émet également des ondes térahertz, des ondes électromagnétiques dont la fréquence se situe quelque part entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Ces ondes de rayonnement à haute fréquence, appelées « rayons T », sont également produites par presque tout ce qui enregistre une température, y compris notre propre corps et les objets inanimés qui nous entourent.

Les ondes térahertz sont omniprésentes dans notre vie quotidienne et, si elles sont exploitées, leur puissance concentrée pourrait potentiellement servir de source d’énergie alternative. Imaginez, par exemple, un module complémentaire pour téléphone portable qui absorbe passivement les rayons T ambiants et qui utiliserait leur énergie pour charger votre téléphone. Cependant, jusqu’à ce jour, les ondes térahertz étaient de l’énergie gaspillée, car il n’y avait aucun moyen pratique de les capturer et de les convertir sous une forme utilisable.

Maintenant, les physiciens du MIT ont élaboré un plan pour un appareil qui, selon eux, serait capable de convertir les ondes térahertz ambiantes en un courant continu, une forme d’électricité qui alimente de nombreux appareils électroniques domestiques. Leur conception tire parti du comportement quantique du graphène.

L’incapacité des redresseurs ondulatoires à convertir les ondes térahertz

Ils ont découvert qu’en combinant le graphène avec un autre matériau, dans ce cas le nitrure de bore, les électrons du graphène devraient aligner leur mouvement vers une direction commune. Toute onde térahertz entrante devrait « faire basculer » les électrons du graphène, pour traverser le matériau dans une seule direction, comme un courant continu. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Science Advances et travaillent avec des expérimentateurs pour transformer leur conception en un appareil physique.

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont cherché des moyens de récolter et de convertir l’énergie ambiante en énergie électrique utilisable. Ils l’ont fait principalement par le biais de redresseurs, des appareils conçus pour convertir les ondes électromagnétiques de leur courant oscillant (alternatif) en courant continu.

La plupart des redresseurs sont conçus pour convertir les ondes basses fréquences telles que les ondes radio, en utilisant un circuit électrique avec des diodes pour générer un champ électrique qui peut diriger les ondes radio à travers l’appareil comme un courant continu. Ces redresseurs ne fonctionnent que jusqu’à une certaine fréquence et n’ont pas été en mesure de s’adapter à la plage térahertz. Quelques technologies expérimentales qui ont réussi à convertir les ondes térahertz en courant continu ne le font qu’à des températures ultra-froides.

Briser la symétrie d’inversion inhérente au graphène

Au lieu de transformer les ondes électromagnétiques en un courant continu en appliquant un champ électrique externe dans un appareil, l’équipe s’est demandée si, au niveau de la mécanique quantique, les électrons d’un matériau pouvaient être amenés à circuler dans une direction, afin d’orienter les ondes térahertz entrantes en un courant continu. Un tel matériau devrait être exempt d’impuretés, pour que les électrons dans le matériau s’écoulent sans se disperser. Le graphène était le matériau de départ idéal.

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etats quantiques graphene

Le comportement quantique du graphène entraîne une dispersion électronique lors de l’injection d’énergie. Un phénomène symétrique appelé inversion. Crédits : MIT

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Pour diriger les électrons du graphène dans un sens, il fallait briser la symétrie inhérente au matériau, ou ce que les physiciens appellent « l’inversion ». Normalement, les électrons du graphène ressentent une force égale entre eux, ce qui signifie que toute énergie entrante disperserait les électrons dans toutes les directions, symétriquement. Les physiciens ont cherché des moyens de briser l’inversion du graphène et d’induire un flux d’électrons asymétrique en réponse à l’énergie entrante.

Ils ont développé une étude théorique systématique de toutes les façons dont les électrons dans le graphène pourraient se disperser en combinaison avec un substrat sous-jacent tel que le nitrure de bore, et comment cette diffusion d’électrons affecterait les ondes électromagnétiques entrantes, en particulier dans la gamme de fréquences térahertz.

Diriger les électrons dans une seule direction grâce au graphène

Ils ont constaté que les électrons étaient entraînés par les ondes térahertz entrantes à s’incliner dans une direction, et ce mouvement d’inclinaison générait un courant continu, si le graphène était relativement pur. Si trop d’impuretés existaient dans le graphène, elles agiraient comme des obstacles sur le chemin des nuages ​​d’électrons, provoquant la dispersion de ces nuages ​​dans toutes les directions.

dispositif ondesthz

Le schéma montre un carré vert qui représente le graphène au-dessus d’un carré d’un autre matériau. Les ondes rouges représentent les ondes térahertz. Les triangles bleus représentent une antenne qui entoure le carré pour capturer les ondes térahertz et concentrer les ondes sur le carré. Crédits : MIT

Ils ont également constaté que plus l’énergie térahertz entrante était forte, plus un appareil pouvait la convertir en courant continu. Cela signifie que tout appareil qui convertit les rayons T devrait également inclure un moyen de concentrer ces ondes avant qu’elles n’entrent dans l’appareil.

Avec tout cela à l’esprit, les chercheurs ont élaboré un plan pour un redresseur térahertz qui se compose d’un petit carré de graphène qui se trouve au sommet d’une couche de nitrure de bore et est pris en sandwich dans une antenne qui collecterait et concentrerait le rayonnement térahertz ambiant, renforçant son signal suffisamment pour le convertir en courant continu.

Sources : Science Advances

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