Метаповерхности – это новый класс искусственных двумерных материалов с необычными свойствами, которых не встретить в природе. Они состоят из специально упорядоченных элементарных ячеек, размер которых обычно меньше длины волны. За счет этого они могут поддерживать распространение электромагнитных волн, которые обычно затухают в свободном пространстве, на большие расстояния. Это свойство ученые использовали, чтобы создать новый тип беспроводного зарядного устройства ‒ умный стол. В сущности это коврик, который можно положить на стол или встроить в него, чтобы заряжать устройства, просто положив их сверху.
В новой работе ученые из Университета ИТМО описали концепцию нового устройства и экспериментально проверили ее работоспособность. Эксперименты проводили в радиочастотном диапазоне при помощи специального прибора, который анализирует эффективность передачи энергии на расстоянии. Результаты показали, что метаповерхность может передать 80% энергии на расстоянии одного метра. Это гораздо эффективнее беспроводных зарядных устройств, существующих на рынке. Предел расстояния, на котором они передают энергию, составляет всего несколько миллиметров. Таких результатов удалось добиться, потому что метаповерхность поддерживает распространение волны в пространстве, и энергия передается вдоль нее без потерь.
«Мы начали исследовать беспроводную передачу энергии около четырех лет назад. За это время мы разработали передатчики и приемники энергии, исследовали различные типы метаповерхностей, и многое сделали для улучшения эффективности передачи энергии. Главная сложность была в том, чтобы понять физические явления, лежащие в основе этого процесса. Наш умный стол состоит из передатчика, приемника и метаповерхности. И мы смогли сделать взаимодействие этих частей эффективным, только когда поняли, какая физика за этим стоит», ‒ рассказывает Минчжао Сун, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
По словам ученых, прототип устройства еще во многом нужно улучшить. Например, сейчас метаповерхность очень чувствительна к отклонениям в расположении передатчика и приемника относительно друг друга. Дальнейшие исследования должны обеспечить возможность свободного размещения и подзарядки нескольких устройств одновременно на поверхности умного стола. На это может уйти еще около года.
Статья: Smart Table Based on a Metasurface for Wireless Power Transfer. Mingzhao Song et al. Physical Review Applied, May 2019.
