解决人类能源危机新方案!利用量子隧道效应从地表辐射中获取电能

近期，一组国外的研究人员提出了一种新的发电方法：从地表采集能量。详细来讲，就是将多余的红外辐射和逸失热量转化为可以使用的电能。

这个新方法涉及到了量子物理学中的量子隧道效应，其关键是一个特殊设计的天线——它用来检测高频电磁波态的逸量或红外辐射，并将这些千万亿分之一秒级别的波信号转换成可以直接利用的电能。

但是在量子物理学中，由于位置不确定性是量子物理的核心，因此“球可以用更少的能量穿越山丘”。

大多数人可能都没有想到过，实际上每一分每一秒，地球上都有巨额的能量在被浪费掉——绝大多数照射到地球的太阳能都被地表、海洋和大气层吸收掉了，能被人类利用的太阳能只是极少数。

这种对地表的持续“加热”导致了红外辐射的大量逸散，据估计这种逸散的总功率可达数百万千兆瓦之多。

由于这种红外辐射的波长太短，想要利用它们，就需要特制的、超小型的天线。根据主持这项新研究的国际研究团队所说，他们从量子隧道技术中找到了突破点。

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的首席研究员Atif Shamim在采访中说：“目前，世界上还没有哪一款商用二极管能以我们要求的高频率工作。这就是为什么我们需要量子隧道技术的原因。”

可能看到这里，很多读者还对量子隧道这个概念一头雾水，那么就让笔者为大家简单介绍一下。量子隧道是量子物理学中一个理论体系构建完全的概念，就是指粒子可以在没有足够的能量的情况下通过势垒的现象。

图|量子隧道效应

举一个常见的例子：在古典物理学中，小球需要一定的能量才能爬上斜坡并滚到另一边。而在量子物理学中，由于量子物理的核心理论：位置具有的不确定性，“球”可以用更少的能量“穿越斜坡”。这就是量子隧道效应。

图|量子隧道效应

然而量子隧道效应又是如何对纳米天线的制造有所帮助的呢？原来，利用量子隧道效应，研究人员就可以使电子通过MIM（金属-绝缘体-金属）二极管这样的隧道器件，从而将红外波转换成电流。

科学家们借此制造出了一种新的领结形纳米天线，这种天线的具体构造是将很薄的绝缘体薄膜夹在两个由金和钛制成的略有重叠的金属臂之间，从而能提供产生隧道所需的强电场。

图|纳米天线

研究人员之一，来自阿卜杜拉国王科技大学的Gaurav Jayaswal说：“研究中最具挑战性的一步就是两个天线臂的纳米级重叠，这需要非常精确的对接。尽管如此，借助颇具匠心的技巧和阿卜杜拉国王科技大学的纳米级加工设备，我们完成了这一步。“

这种最新的MIM二极管能够在无电压情况下捕获红外辐射，因此只用在需要时开启它即可。

传统的太阳能电池板只能捕获一小部分可见光谱中的光波，因此这项能利用盈余的红外辐射的新研究，代表这能源生产领域的一次伟大革新。更形象地说，这是一次“游戏版本更新”。

新装置更突出的优点是，与太阳能发电站不同，无论天气如何，这些能源收集装置都可以全天候运行。

当然，新技术总是伴随着缺点，本次研究当然不能免俗——目前，天线的能量转换效率并不高。

Shamim说：“不要急，这只是一个开始，日后我们的技术将不断完善。”

而且，尽管目前技术还不完善，我们也可以另辟蹊径，巧妙地利用新技术——比如，可以同时运转数百万台这样的新设备，来提高整体发电量。

这项研究已经发表在《今日能源》上。

编辑 | 褚茗帆

审校 | Soybean

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