解決人類能源危機新方案！利用量子隧道效應從地表輻射中獲取電能

導語：人類能源危機的加劇科學家對新的能量來源充滿興趣，無論是核聚變還是太陽能，都將是人類未來的新能源方向。最近，一種利用量子隧道效應的新能源方法倒是很新鮮。

近期，一組國外的研究人員提出了一種新的發電方法：從地表採集能量。詳細來講，就是將多餘的紅外輻射和逸失熱量轉化為可以使用的電能。

這個新方法涉及到了量子物理學中的量子隧道效應，其關鍵是一個特殊設計的天線——它用來檢測高頻電磁波態的逸量或紅外輻射，並將這些千萬億分之一秒級別的波信號轉換成可以直接利用的電能。

但是在量子物理學中，由於位置不確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」。

大多數人可能都沒有想到過，實際上每一分每一秒，地球上都有巨額的能量在被浪費掉——絕大多數照射到地球的太陽能都被地表、海洋和大氣層吸收掉了，能被人類利用的太陽能只是極少數。

這種對地表的持續「加熱」導致了紅外輻射的大量逸散，據估計這種逸散的總功率可達數百萬千兆瓦之多。

由於這種紅外輻射的波長太短，想要利用它們，就需要特製的、超小型的天線。根據主持這項新研究的國際研究團隊所說，他們從量子隧道技術中找到了突破點。

沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的首席研究員Atif Shamim在採訪中說：「目前，世界上還沒有哪一款商用二極體能以我們要求的高頻率工作。這就是為什麼我們需要量子隧道技術的原因。」

可能看到這裡，很多讀者還對量子隧道這個概念一頭霧水，那麼就讓筆者為大家簡單介紹一下。量子隧道是量子物理學中一個理論體系構建完全的概念，就是指粒子可以在沒有足夠的能量的情況下通過勢壘的現象。

圖|量子隧道效應

舉一個常見的例子：在古典物理學中，小球需要一定的能量才能爬上斜坡並滾到另一邊。而在量子物理學中，由於量子物理的核心理論：位置具有的不確定性，「球」可以用更少的能量「穿越斜坡」。這就是量子隧道效應。

圖|量子隧道效應

然而量子隧道效應又是如何對納米天線的製造有所幫助的呢？原來，利用量子隧道效應，研究人員就可以使電子通過MIM（金屬-絕緣體-金屬）二極體這樣的隧道器件，從而將紅外波轉換成電流。

科學家們藉此製造出了一種新的領結形納米天線，這種天線的具體構造是將很薄的絕緣體薄膜夾在兩個由金和鈦製成的略有重疊的金屬臂之間，從而能提供產生隧道所需的強電場。

圖|納米天線

研究人員之一，來自阿卜杜拉國王科技大學的Gaurav Jayaswal說：「研究中最具挑戰性的一步就是兩個天線臂的納米級重疊，這需要非常精確的對接。儘管如此，藉助頗具匠心的技巧和阿卜杜拉國王科技大學的納米級加工設備，我們完成了這一步。「

這種最新的MIM二極體能夠在無電壓情況下捕獲紅外輻射，因此只用在需要時開啟它即可。

傳統的太陽能電池板只能捕獲一小部分可見光譜中的光波，因此這項能利用盈餘的紅外輻射的新研究，代表這能源生產領域的一次偉大革新。更形象地說，這是一次「遊戲版本更新」。

新裝置更突出的優點是，與太陽能發電站不同，無論天氣如何，這些能源收集裝置都可以全天候運行。

當然，新技術總是伴隨著缺點，本次研究當然不能免俗——目前，天線的能量轉換效率並不高。

Shamim說：「不要急，這只是一個開始，日後我們的技術將不斷完善。」

而且，儘管目前技術還不完善，我們也可以另闢蹊徑，巧妙地利用新技術——比如，可以同時運轉數百萬台這樣的新設備，來提高整體發電量。

這項研究已經發表在《今日能源》上。

編輯 | 褚茗帆

審校 | Soybean

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