Малые устройства, такие как датчики света или сетевые компоненты, в ближайшем будущем смогут получать энергию из фоновых сигналов Wi-Fi и Bluetooth с помощью нового высокотехнологичного компонента, способного преобразовывать даже самые слабые электромагнитные волны в электричество.
Исследователи создали высокочувствительную «ректенну» (выпрямляющую антенну) — компонент, который использует особенности квантовой физики для эффективного преобразования электромагнитной энергии в постоянный ток. Они применили этот новый метод захвата электронов для питания коммерческого термометра.
В исследовании, опубликованном 24 июля в журнале Nature Electronics, учёные предположили, что эту технологию можно масштабировать для питания устройств Интернета вещей и датчиков, используя небольшую долю избыточных радиочастотных сигналов, которые они используют для связи друг с другом.
Ректенны принимают электромагнитные волны, содержащиеся в радиочастотных сигналах, таких как Wi-Fi и Bluetooth, а также волны различной длины, включая свет, и преобразуют их с помощью антенны в переменный ток. Затем устройство конвертирует этот ток в постоянный с помощью выпрямительного контура.
Уже давно известно, что ректенны могут генерировать низкие уровни электричества; исследователи продемонстрировали это, используя беспроводное питание для моделей транспортных средств и других подобных экспериментов, начиная с 1960-х годов. Например, в 1964 году производитель оружия Raytheon провёл телевизионную передачу, в которой продемонстрировал вертолёт с дистанционным управлением, работавший от микроволн.
Однако в этих случаях энергия в виде микроволн направлялась непосредственно на устройство. Фоновые же радиочастотные сигналы значительно слабее и не направлены прямо на устройства.
В статье исследователи отметили, что фоновые радиочастотные сигналы могут регистрироваться на уровне значительно ниже минус 20 децибел-милливатт (дБм), единицы измерения, используемой для выражения силы сигнала. Для сравнения, средний смартфон передаёт сигналы на уровне 27 дБм, а микроволновая печь работает на уровне 60 дБм.
Чтобы использовать очень слабые фоновые сигналы, создаваемые сетями Wi-Fi и Bluetooth, исследователи обратились к относительно малоизвестной области квантовых исследований.
Эта область, известная как «спинтроника», изучает квантовый спин электронов и его связь с магнитными полями. В своём эксперименте исследователи использовали свойства магнитных туннельных переходов, компонента, состоящего из очень тонкого слоя изоляционного материала, зажатого между двумя магнитными слоями. Магнитный туннельный переход наиболее часто используется в жёстких дисках и нашёл применение в других типах памяти для вычислительной техники.
Радиочастотные сигналы могут вызывать сдвиг в магнитных туннельных переходах, при котором ток сигнала влияет на спин электронов внутри структуры. Это явление можно использовать для генерации электричества.
Команда создала серию наноразмерных «спиновых выпрямителей», состоящих из магнитных туннельных переходов, с размерами 40 х 100 нанометров и 80 х 200 нанометров, которые чувствительны к частотам обычных фоновых электромагнитных сигналов, таких как Wi-Fi (частоты 2,4 гигагерца), 4G (2,3-2,6 ГГц) и 5G (3,5 ГГц).
После того как исследователи продемонстрировали эффективность своего компонента, они создали массив «спиновых выпрямителей», который смог питать коммерчески доступный датчик температуры, используя всего лишь минус 27 дБм фонового радиочастотного сигнала.
В будущем команда надеется, что этот метод позволит снизить углеродный след от эксплуатации беспроводных сетей за счёт уменьшения зависимости от батарей и сокращения энергопотребления в датчиках и других небольших устройствах.
