Электроника без батареек? Ученые сделали шаг к устройствам, которые будут получать энергию из воздуха

Международная группа ученых обнаружила способ добывать электричество непосредственно из окружающей среды, используя особенности квантовой физики. Это открытие позволяет создавать электронные устройства, которым в будущем могут не понадобиться традиционные аккумуляторы или батарейки.



Сегодня почти любое электронное устройство — от смартфона до умного датчика — требует источника питания. Даже если энергия поступает от солнечных батарей или других генераторов, ее все равно нужно накапливать или преобразовывать в форму, пригодную для работы электроники.

Именно поэтому физики уже несколько лет изучают явление, которое теоретически может сделать этот процесс значительно проще. Оно получило название нелинейный эффект Холла.

Чтобы понять его суть, стоит вспомнить, что большинство электромагнитных сигналов вокруг нас существуют в виде переменного тока. Это сигналы мобильной связи, Wi-Fi, радиопередач и множество других излучений, которые постоянно присутствуют в окружающей среде.



Проблема в том, что электронные устройства работают на постоянном токе. Поэтому между источником энергии и электроникой обычно нужны дополнительные компоненты, которые будут преобразовывать один тип тока в другой.

Нелинейный эффект Холла интересен тем, что некоторые материалы могут выполнять такое преобразование самостоятельно. Иными словами, материал способен непосредственно преобразовывать окружающие переменные сигналы в постоянный ток, пригодный для питания электроники.

Если научиться эффективно использовать этот механизм, можно будет создавать устройства, которые постоянно собирают небольшие количества энергии из окружающей среды и не требуют батареек.

Однако до сих пор ученые плохо понимали, что именно происходит внутри материалов, где проявляется нелинейный эффект Холла. Без такого понимания трудно создавать практические технологии.

Именно этот вопрос и решили исследователи из Технологического университета Квинсленда в Австралии и Наньянского технологического университета в Сингапуре. Как сообщает Science Daily, ученые изучили специальный топологический материал — класс веществ, которые в последние годы привлекают большое внимание физиков благодаря своим необычным квантовым свойствам.

Роль дефектов и атомов

Исследование показало, что поведение эффекта определяется не только общей структурой материала, но и очень мелкими особенностями его строения.

Выяснилось, что при низких температурах ключевую роль играют микроскопические дефекты. Раньше их часто рассматривали как нечто нежелательное, что препятствует работе материала. Но оказалось, что в этом случае они наоборот помогают формировать нужный электрический сигнал.

При нагревании атомы в материале начинают колебаться сильнее. Исследователи обнаружили, что эти колебания могут существенно влиять на работу квантового эффекта.

Исследователи обнаружили, что между этими двумя механизмами происходит своеобразное соревнование. При одних условиях главную роль играют дефекты, при других — колебания атомов. В результате может меняться не только сила полученного электрического сигнала, но даже его направление.

Для неспециалиста это может казаться мелочью, но для физиков и инженеров такой результат имеет большое значение. Он показывает, что квантовым эффектом можно управлять, подбирая нужные свойства материала и условия его работы.

Фактически речь идет о переходе от простого наблюдения интересного физического явления к возможности его практического использования.

Не менее важно и то, что нелинейный эффект Холла в исследованном материале сохраняется при комнатной температуре. Это особенно ценный результат, так как многие квантовые эффекты проявляются только в экстремальных лабораторных условиях при сверхнизких температурах.

В этом случае речь идет об эффекте, который может работать в обычных условиях, что делает его значительно более перспективным для будущих технологий.

Полученные результаты помогают лучше понять, как ведут себя квантовые материалы и как можно управлять их свойствами. По мнению авторов исследования, это может помочь в разработке более компактных, быстрых и энергоэффективных технологий.

Безусловно, до смартфонов, которые будут работать совсем без аккумуляторов, еще очень далеко. Однако для маломощной электроники — датчиков, переносных устройств и других компактных систем — технологии сбора энергии из окружающей среды могут открыть совершенно новые возможности.