С тех пор как Никола Тесла в 1891 году своей катушкой извергал электричество во все стороны, ученые придумывали способы передачи электрической энергии по воздуху. Мечта состоит в том, чтобы зарядить свой телефон или ноутбук, или, может быть, даже медицинское устройство, такое как кардиостимулятор, без необходимости проводов и вилок. Хитрость заключается в том, чтобы заставить электричество найти намеченную цель и заставить эту цель поглотить электричество, а не просто отразить его обратно в воздух—и все это желательно без опасности для кого-либо на этом пути.

В наши дни вы можете зарядить смартфон по беспроводной сети, поместив его в дюйме от зарядной станции. Но полезная беспроводная передача энергии на большие расстояния, с одной стороны комнаты на другую или даже через здание, все еще находится в стадии разработки. Большинство методов, разрабатываемых в настоящее время, включают фокусировку узких пучков энергии и наведение их на намеченную цель. Эти методы имели некоторый успех, но пока не очень эффективны. А сфокусированные электромагнитные лучи, летающие по воздуху, выбивают из колеи.

Теперь команда исследователей из Университета Мэриленда (UMD) в сотрудничестве с коллегой из Уэслианского университета в Коннектикуте разработала усовершенствованную технологию беспроводной передачи энергии, которая может обещать передачу энергии на большие расстояния без узконаправленных и направленных энергетических лучей. Их результаты, которые расширяют применимость предыдущих методов, были опубликованы 17 ноября 2020 года в журнале Nature Communications.

Команда обобщила концепцию, известную как "анти-лазер"." В Лазере один фотон запускает каскад из множества фотонов одного и того же цвета, вылетающих в когерентном пучке. В анти-лазере происходит обратное. Вместо того чтобы увеличить количество фотонов, анти-лазер когерентно и идеально поглощает пучок многих точно настроенных фотонов. Это похоже на лазер, бегущий назад во времени.

Новая работа, возглавляемая профессором физики UMD Стивеном Анлагом из Центра квантовых материалов (QMC), демонстрирует, что можно спроектировать когерентный идеальный поглотитель вне оригинальной структуры лазера с обратным временем-релаксация некоторых ключевых ограничений в более ранних работах. Вместо того чтобы предполагать, что направленные лучи движутся по прямым линиям в поглощающую мишень, они выбрали геометрию, которая была беспорядочной и не поддавалась обратному движению во времени.

"Мы хотели увидеть этот эффект в совершенно общей среде, где нет никаких ограничений", - говорит Анлаге. "Нам нужна была своего рода случайная, произвольная, сложная среда, и мы хотели, чтобы совершенное поглощение происходило в этих действительно сложных обстоятельствах. Такова была мотивация для этого, и мы сделали это."

Анлаге и его коллеги хотели создать устройство, которое могло бы получать энергию из более рассеянного источника, что-то менее лучевое и более банное. Прежде чем заняться беспроводной проблемой, они создали свой обобщенный анти-лазер в виде лабиринта проводов для прохождения электромагнитных волн. В частности, они использовали микроволны, общий кандидат для передачи энергии приложений. Лабиринт состоял из связки проводов и коробок, Соединенных намеренно неупорядоченным образом. Микроволны, проходящие через этот лабиринт, будут настолько запутаны, что, даже если бы было возможно повернуть время вспять, это все равно не распутало бы их.

В центре этого лабиринта был спрятан поглотитель, цель, к которой нужно было доставить энергию. Команда послала микроволны различных частот, амплитуд и фаз в лабиринт и измерила, как они были преобразованы. Основываясь на этих измерениях, они смогли вычислить точные свойства входных микроволн, которые привели бы к идеальной передаче энергии к поглотителю. Они обнаружили, что для правильно выбранных входных микроволн лабиринт поглощает беспрецедентные 99,999% энергии, которую они посылают в него. Это ясно показало, что когерентное совершенное поглощение может быть достигнуто даже без лазерного запуска назад во времени.

Затем команда сделала шаг к беспроводной передаче энергии. Они повторили эксперимент в полости, медной пластине в несколько футов в каждом направлении с отверстием странной формы посередине. Форма дыры была рассчитана так, чтобы микроволны отражались вокруг нее непредсказуемым, хаотичным образом. Они поместили поглотитель энергии внутри полости, и послали микроволны, чтобы подпрыгнуть вокруг открытого пространства внутри. Они смогли найти правильные входные микроволновые условия для когерентного идеального поглощения с эффективностью 99,996%.

Недавняя работа совместной группы ученых из Франции и Австрии также продемонстрировала когерентное совершенное поглощение в их собственном неупорядоченном микроволновом лабиринте. Однако их эксперимент был не столь общим, как новая работа Анлаге и его коллег. В предыдущей работе микроволны, попадающие в лабиринт, все еще были бы распутаны гипотетическим обращением времени. Это может показаться тонким различием, но авторы говорят, что, показывая, что когерентное совершенное поглощение не требует какого-либо порядка в окружающей среде, обещает применимость практически везде.

Обобщение предыдущих методов таким образом вызывает идеи, которые звучат как научная фантастика, например, возможность беспроводной и удаленной зарядки любого объекта в сложной среде, такой как офисное здание, с почти идеальной эффективностью. Такие схемы потребовали бы, чтобы частота, амплитуда и фаза электрической энергии были настроены на конкретные цели. Но не было бы никакой необходимости фокусировать мощный луч и направлять его на ноутбук или телефон-электрические волны сами были бы разработаны, чтобы найти выбранную ими цель.

"Если у нас есть объект, к которому мы хотим доставить энергию, мы сначала используем наше оборудование для измерения некоторых свойств системы", - говорит Лей Чен, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники UMD и ведущий автор статьи. - Основываясь на этих свойствах, мы можем получить уникальные микроволновые сигналы для такого рода систем. И он будет полностью поглощен объектом. Для каждого уникального объекта сигналы будут разными и специально разработанными."

Хотя этот метод показывает большие перспективы, многое еще предстоит сделать до появления беспроводных и бесконтактных офисов. Идеальный поглотитель в решающей степени зависит от мощности, настроенной именно для этого поглотителя. Небольшое изменение в окружающей среде—например, перемещение целевого ноутбука или поднятие жалюзи в комнате—потребовало бы немедленной перенастройки всех параметров. Таким образом, должен быть способ быстро и эффективно найти правильные условия для идеального поглощения на лету, не используя слишком много энергии или полосы пропускания. Кроме того, необходимо провести дополнительную работу по определению эффективности и безопасности этого метода в реальных условиях.

Даже если еще не пришло время выбросить все ваши шнуры питания, когерентное идеальное поглощение может пригодиться во многих отношениях. Он не только является общим для любого вида цели, но и не ограничивается оптикой или микроволнами. "Это не связано с одной конкретной технологией, - говорит Анлаге, - это очень общее волновое явление. И тот факт, что это делается в микроволновых печах, просто потому, что именно там находятся сильные стороны в моей лаборатории. Но вы могли бы сделать все это с помощью акустики, вы могли бы сделать это с помощью волн материи, вы могли бы сделать это с помощью холодных атомов. Вы можете делать это в самых разных контекстах."

Помимо Чена и Анлаге, соавтором статьи был профессор Уэслианского университета Цампикос Коттос.

ИСТОЧНИК