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10月28日，《Nature Communications》雜誌在線發表了聖路易斯華盛頓大學開發的自供電量子傳感器的研究情況。
自供電量子傳感器的製造很簡單，也很便宜。它只需要四個電容器和兩個電晶體。利用這六個部件，Chakrabartty實驗室的研究團隊建立了兩個動力系統，每個系統都有兩個電容器和一個電晶體。電容器擁有少量的初始電荷，每個電荷大約有5000萬個電子。
他們在其中一個系統中添加了一個傳感器，並將其與他們正在測量的屬性耦合。在一個應用中，該團隊使用壓電加速度計測量環境微動，這是一種將機械能（如空氣中分子的運動）轉化為電信號的傳感器。
量子物理學中亞原子粒子具有一些不尋常的特性，比如隧穿。Chakrabartty解釋說。"如果你想去一座小山的另一邊，你必須爬山，而量子隧穿更像是直接穿過山體。"
他說，這樣做的好處是，當山丘是某種形狀時，你會得到非常獨特的、動態的特性，可以持續多年。在這種情況下，"山丘 "實際上是一種叫做福勒-諾德海姆隧道屏障的屏障。它位於電容器的板和半導體材料之間，它的厚度不到100個原子。
Chakrabartty說："通過以某種方式構建屏障，你可以控制電子的流動。你可以讓它變得相當緩慢，低至每分鐘一個電子，而且還能保證它的可靠性。" 按照這個速度，這個動力系統就像一個計時設備一樣，不需要任何電池就能運行一年多。
自供電量子傳感器的工作原理
為了測量環境運動，一個微小的壓電加速度計被連接到傳感器上。研究人員機械地搖動加速度計；然後將其運動轉化為電信號。這個信號改變了屏障的形狀，由於量子物理學的規則，這改變了電子穿過屏障的速度。
一定數量的電子通過屏障的概率是屏障大小的函數。屏障的大小是由壓電傳感器產生的能量決定的，而壓電傳感器的能量又是由加速度的大小決定的，也就是它的震動程度。
通過測量傳感器電容的電壓，並計算電子丟失的數量，Chakrabartty實驗室的博士生、論文的主要作者Darshit Mehta能夠確定總的加速度能量。
這就是為什麼每個設備實際上是兩個系統，一個傳感系統和一個參考系統。一開始，二者幾乎是一模一樣的，只是傳感系統與換能器相連，而參考系統沒有。這兩個系統的設計使電子以同樣的速度隧穿，如果沒有任何外力的作用，註定會以同樣的速度耗盡其電容器。
由於傳感系統受到從換能器接收到的信號的影響，其電子隧穿的時間與參考系統不同。實驗結束後，研究小組同時讀取了傳感系統和參考系統電容中的電壓。他們利用這兩個電壓的差值找到了換能器的真實測量值。
對於一些應用來說，這個最終結果已經足夠了。Chakrabartty團隊的下一步是克服計算上的挑戰，更精確地重現過去發生的事情，即電子究竟受到了什麼影響？電子何時穿過屏障？穿越需要多長時間？
Mehta博士論文的目標之一就是利用多種設備重建過去。"信息都存儲在設備上，我們只需要想出巧妙的信號處理來解決這個問題，"Chakrabartty說。
這些傳感器在從連續監測人體內部的葡萄糖水平，到可能在不使用電池的情況下記錄神經活動等方面都有應用前景。"目前，這個平臺是通用的，"Chakrabartty說。"這只是取決於你與設備的耦合。只要你有一個能產生電信號的傳感器，它就能為我們的傳感器-數據記錄器自供電。"
論文標題為《A self-powered analog sensor-data-logging device based on Fowler-Nordheim dynamical systems》。