上圖所示為量子隧道傳感器晶片組和匹配的福勒-諾德海姆（Fowler-Nordheim）隧道勢壘。
Shantanu Chakrabartty的實驗室一直致力於製造能以最小能量運行的傳感器。他的實驗室在製造更小更高效的傳感器方面非常成功，以至於他們遇到了物理基本定律形式的障礙。
然而，有時，當你遇到一個難以逾越的障礙時，你只需求助於量子物理學，並在其中穿行隧道。這就是Chakrabartty和聖路易斯華盛頓大學麥凱爾維工程學院的其他研究人員所正在做的。
激發這項研究的障礙是閾值效應。「想像一下樹上掛著一個蘋果，」Chakrabartty說，「你可以搖一下樹，但蘋果不會掉下來。你必須使出足夠的力量把蘋果抖松，這正是使電子越過勢壘所需的最小能量，如果不能使電子越過勢壘，就不能產生電流。」
但是，自然發生的量子力學現象總是使電子穿過勢壘。研究小組利用這一點，製造了一種自供電裝置，這種裝置的初始能量輸入很小，可以獨立運行一年多。
他們是這樣建造的
這個裝置簡單，造價低廉。它只需要四個電容器和兩個電晶體。從這六個部分中，Chakrabartty的團隊構建了兩個動力系統，每個系統都有兩個電容器和一個電晶體。電容器的初始電荷很小，每個大約有5000萬個電子。
他們在其中一個系統中添加了一個傳感器，並將其與他們所測量的特性耦合。在一個應用中，研究小組使用壓電加速度計測量環境微運動，壓電加速度計是一種將機械能（如空氣中分子的運動）轉化為電信號的傳感器。
你需要知道的是：
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。「想像一座山，」Chakrabartty說，「如果你想到達另一邊，你必須親自爬山。量子隧穿更像是穿透山體。」
他說，這樣做的好處在於，當山丘形成某種形狀時，你會得到非常獨特的動力特性，這種特性可以持續數年。
在這種情況下，「山丘」實際上是一個叫做福勒-諾德海姆隧道屏障的屏障。它位於電容器的極板和半導體材料之間，它的厚度不到100個原子。
Chakrabartty說，通過以某種方式建立屏障，「你可以控制電子的流動。你可以讓它相當慢，每分鐘只有一個電子，並且仍然保持它的可靠性。」按照這個速度，動力系統就像一個沒有電池的計時器一樣運行了一年多。
工作原理如下
為了測量環境運動，傳感器上連接了一個微型壓電加速度計。研究人員機械地搖晃加速計，然後它的運動被轉換成電信號。這個信號改變了勢壘的形狀，這得益於量子物理學的規則，改變了電子穿過勢壘的速度。
為了弄清楚發生了什麼，需要把這個過程理解為一種落後的Rube-Goldberg機器。
一定數量的電子穿過勢壘的概率是勢壘大小的函數。勢壘的大小由壓電換能器產生的能量決定，而壓電換能器的能量又取決於它震動的加速度大小。
通過測量傳感器電容器的電壓和計算丟失的電子數，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。
當然，為了實際應用，這些極為敏感的設備可能會在卡車上移動，例如，跟蹤疫苗冷鏈管理的環境溫度。或者在你的血液裡，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，兩者幾乎相同，只是傳感系統連接到傳感器，而參考系統沒有。
這兩個系統都被設計成電子以相同的速率隧道，如果沒有任何外力的作用，它們的電容器將以同樣的速度耗盡。
由於傳感系統受到傳感器信號的影響，其電子隧道的時間與參考系統不同。實驗結束後，研究小組讀取了傳感和參考系統電容器中的電壓。他們利用這兩個電壓的差來找到傳感器的真實測量值。
對於某些應用，這個最終結果就足夠了。Chakrabartty團隊的下一步是克服計算上的挑戰，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？電子隧穿屏障是什麼時候？到隧道花了多長時間？
Mehta博士論文的目標之一是利用多種設備重建過去。「所有的信息都存儲在設備上，我們只需想出巧妙的信號處理來解決這個問題，」Chakrabartty說。
最終，這些傳感器有望實現從連續監測人體內葡萄糖水平到無需使用電池就能記錄神經活動的一切。
「現在，這個平臺是通用的，」Chakrabartty說，「這取決於你把什麼連接到設備上。只要您有一個能產生電信號的傳感器，它就可以為我們的傳感器數據記錄器自供電。」
來源：https://phys.org/news/2020-11-quantum-tunneling-limits-self-powered-sensors.html