利用量子隧道技術,突破自供電量子傳感器極限,不要電運行一年!

2020-12-04 騰訊網

沙塔努·查克拉巴蒂實驗室一直致力於製造能用最少能量運行的傳感器，而且該實驗室在製造更小、更高效的傳感器方面非常成功，以至於他們在基本物理定律上遇到了障礙。然而，有時當你遇到一個看似不可逾越的障礙時，你只需要求助於量子物理，並通過隧道穿過它。這就是查克拉巴蒂和聖路易斯華盛頓大學麥凱爾維工程學院研究人員所做的。

查克拉巴蒂是普雷斯頓·M·格林系統工程與電氣工程系的克利福德·W·墨菲教授，他的實驗室研發的這些自供電量子傳感器成果發表在《自然·通訊》期刊上。查克拉巴蒂說：想像一下，樹上掛著一個蘋果，你可以稍微搖晃一下樹，但蘋果不會掉下來，你必須給它足夠的力才能把蘋果搖下來。這相當於一個門檻能量，這是移動電子越過障礙物所需的最低能量，如果不能使電子越過勢壘，就不能產生電流。

障礙是門檻效應

但自然而然發生的量子力學現象一直在推動電子跨越勢壘，研究小組利用這一點製造了一種自供電設備，只需少量的初始能量輸入，就可以獨立運行一年多。該設備製造簡單，成本低廉，它只需要四個電容器和兩個電晶體。在這六個部分的基礎上，查克拉巴蒂團隊建造了兩個動力系統，每個系統都有兩個電容器和一個電晶體。這些電容器的初始電荷很小，每個大約有5000萬個電子。在其中一個系統中添加了一個傳感器，並將其與正在測量的特性相耦合。

在一個應用中，研究小組使用壓電加速度計測量環境中的微動，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。但是你需要知道：量子物理學，至少亞原子粒子的一些更不尋常的特性，特別是隧道效應。想像一下一座山，如果你想到達另一邊，你必須親自爬上這座山，量子隧道更像是穿過這座山。這樣做的美妙之處在於，當山丘呈某種形狀時，你會獲得非常獨特的、動態的特性，這些特性可能會持續數年。

在這種情況下，「山」實際上是一個障礙，稱為福勒-諾德海姆隧道障礙，它位於電容器的極板和半導體材料之間，厚度不到100個原子。通過以某種方式建立勢壘，可以控制電子的流動，可以讓它變得相當慢，降到每分鐘一個電子，同時還能保持它的可靠性。按照這個速度，動力系統就像計時裝置一樣運轉一年多（沒有任何供電）。

工作原理

為了測量周圍的運動，傳感器上連接了一個微型壓電式加速度計。研究人員機械地搖晃加速度計，然後將其運動轉化為電信號。這個信號改變了勢壘的形狀，多虧了量子物理學的規則，改變了電子通過勢壘的速度。為了理解發生了什麼，這個過程需要被解讀為一種倒退的魯布·戈德堡機器(Rube Goldberg Machine)。一定數量電子通過勢壘的概率是勢壘大小的函數，障礙物的大小取決於壓電換能器產生的能量。

而壓電換能器產生的能量又取決於加速度的大小--震動的程度。通過測量傳感器電容器的電壓並計算丟失了多少電子，查克拉巴蒂實驗室的博士生、研究的主要作者達裡特·梅塔(Dardrt Mehta)能夠確定總的加速能量。當然，要投入實際使用，這些極其敏感的設備可能會四處移動，例如：在卡車上跟蹤疫苗冷鏈管理中的環境溫度，或者在血液中監測血糖。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，這兩者幾乎是一樣的，只是傳感系統連接到了傳感器，而參考系統則沒有。這兩個系統的設計都是為了讓電子以相同的速度隧穿，在沒有任何外力的情況下，註定會同樣地耗盡它們的電容器。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，研究小組讀取了傳感系統和參考系統電容器中的電壓，並利用這兩個電壓的差值來找出傳感器真實測量值。

對於某些應用程式，這個最終結果就足夠了。查克拉巴蒂團隊的下一步是克服計算挑戰，更精確地再現過去發生的事情--電子究竟是如何受到影響的？電子是什麼時候穿過勢壘的？挖隧道花了多長時間？目標之一是使用多種設備重建過去，信息都存儲在設備上，我們只需要想出聰明的信號處理方法來解決這個問題。歸根結底，從持續監測人體內的血糖水平，到可能在不使用電池的情況下記錄神經活動，這些傳感器都有希望。

博科園｜研究/來自：聖路易斯華盛頓大學

參考期刊《自然·通訊》

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