Міжнародная група навукоўцаў выявіла спосаб здабываць электрычнасць непасрэдна з навакольнага асяроддзя, выкарыстоўваючы асаблівасці квантавай фізікі. Гэта адкрыццё дазваляе ствараць электронныя прылады, якім у будучыні могуць не спатрэбіцца традыцыйныя акумулятары або батарэйкі.

Фота: Peter Dazeley / Getty Images

Сёння амаль любая электронная прылада — ад смартфона да разумнага датчыка — патрабуе крыніцы сілкавання. Нават калі энергія паступае ад сонечных батарэй або іншых генератараў, яе ўсё роўна трэба назапашваць або пераўтвараць у форму, прыдатную для працы электронікі.

Менавіта таму фізікі ўжо некалькі гадоў вывучаюць з'яву, якая тэарэтычна можа зрабіць гэты працэс значна прасцейшым. Яна атрымала назву нелінейны эфект Хола.

Каб зразумець яго сутнасць, варта згадаць, што большасць электрамагнітных сігналаў вакол нас існуюць у выглядзе пераменнага току. Гэта сігналы мабільнай сувязі, Wi-Fi, радыёперадач і мноства іншых выпраменьванняў, якія пастаянна прысутнічаюць у навакольнай прасторы.

Праблема ў тым, што электронныя прылады працуюць на пастаянным току. Таму паміж крыніцай энергіі і электронікай звычайна патрэбны дадатковыя кампаненты, якія будуць пераўтвараць адзін тып току ў іншы.

Нелінейны эфект Хола цікавы тым, што некаторыя матэрыялы могуць выконваць такое пераўтварэнне самастойна. Іншымі словамі, матэрыял здольны непасрэдна ператвараць навакольныя пераменныя сігналы ў пастаянны ток, прыдатны для сілкавання электронікі.

Калі навучыцца эфектыўна выкарыстоўваць гэты механізм, можна будзе ствараць прылады, якія пастаянна збіраюць невялікія колькасці энергіі з навакольнага асяроддзя і не патрабуюць батарэек. 

Аднак дагэтуль навукоўцы дрэнна разумелі, што менавіта адбываецца ўнутры матэрыялаў, дзе праяўляецца нелінейны эфект Хола. Без такога разумення цяжка ствараць практычныя тэхналогіі.

Менавіта гэтае пытанне і вырашылі даследчыкі з Тэхналагічнага ўніверсітэта Квінсленда ў Аўстраліі і Наньянскага тэхналагічнага ўніверсітэта ў Сінгапуры. Як паведамляе Science Daily, навукоўцы вывучылі спецыяльны тапалагічны матэрыял — клас рэчываў, якія ў апошнія гады прыцягваюць вялікую ўвагу фізікаў дзякуючы сваім незвычайным квантавым уласцівасцям.

Даследаванне паказала, што паводзіны эфекту вызначаюцца не толькі агульнай структурай матэрыялу, але і вельмі дробнымі асаблівасцямі яго будовы.

Высветлілася, што пры нізкіх тэмпературах ключавую ролю адыгрываюць мікраскапічныя дэфекты. Раней іх часта разглядалі як нешта непажаданае, што перашкаджае працы матэрыялу. Але аказалася, што ў гэтым выпадку яны наадварот дапамагаюць фармаваць патрэбны электрычны сігнал.

Пры награванні атамы ў матэрыяле пачынаюць вагацца мацней. Даследчыкі выявілі, што гэтыя ваганні могуць істотна ўплываць на працу квантавага эфекту.

Даследчыкі выявілі, што паміж гэтымі двума механізмамі адбываецца своеасаблівае спаборніцтва. Пры адных умовах галоўную ролю граюць дэфекты, пры іншых — ваганні атамаў. У выніку можа мяняцца не толькі сіла атрыманага электрычнага сігналу, але нават яго кірунак.

Для неспецыяліста гэта можа здавацца дробяззю, але для фізікаў і інжынераў такі вынік мае вялікае значэнне. Ён паказвае, што квантавым эфектам можна кіраваць, падбіраючы патрэбныя ўласцівасці матэрыялу і ўмовы яго працы.

Фактычна гаворка ідзе пра пераход ад простага назірання цікавай фізічнай з'явы да магчымасці яе практычнага выкарыстання.

Не менш важна і тое, што нелінейны эфект Хола ў даследаваным матэрыяле захоўваецца пры пакаёвай тэмпературы. Гэта асабліва каштоўны вынік, бо многія квантавыя эфекты праяўляюцца толькі ў экстрэмальных лабараторных умовах пры звышнізкіх тэмпературах.

У гэтым выпадку гаворка ідзе пра эфект, які можа працаваць у звычайных умовах, што робіць яго значна больш перспектыўным для будучых тэхналогій.

Атрыманыя вынікі дапамагаюць лепш зразумець, як паводзяць сябе квантавыя матэрыялы і як можна кіраваць іх уласцівасцямі. На думку аўтараў даследавання, гэта можа дапамагчы ў распрацоўцы больш кампактных, хуткіх і энергаэфектыўных тэхналогій.

Безумоўна, да смартфонаў, якія будуць працаваць зусім без акумулятараў, яшчэ вельмі далёка. Аднак для маламагутнай электронікі — датчыкаў, пераносных прылад ды іншых кампактных сістэм — тэхналогіі збору энергіі з навакольнага асяроддзя могуць адкрыць абсалютна новыя магчымасці.

Усе навіны →