Kvantetunneling skubber grænserne for selvdrevne sensorer

Shantanu Chakrabarttys laboratorium har arbejdet på at skabe sensorer, der kan køre på den mindste mængde energi. Hans laboratorium har haft så stor succes med at bygge mindre og mere effektive sensorer, at de er løbet ind i en vejspærring i form af en grundlæggende fysiklov.

Sommetider, imidlertid, når du rammer, hvad der ser ud til at være en uigennemtrængelig vejspærring, du skal bare vende dig til kvantefysikken og tunnelere igennem den. Det gjorde Chakrabartty og andre forskere ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis.

Udviklingen af ​​disse selvdrevne kvantesensorer fra laboratoriet i Chakrabartty, Clifford W. Murphy professor i Preston M. Green Department of Systems &Electrical Engineering, blev offentliggjort online 28. oktober i tidsskriftet Naturkommunikation.

Den vejspærring, der inspirerede denne forskning, er tærskeleffekten.

"Forestil dig, at der hænger et æble fra et træ, " sagde Chakrabartty. "Du kan ryste træet en lille smule, men æblet falder ikke. Du skal give det nok af et træk til at ryste æblet løs." Det slæb er beslægtet med en tærskelenergi. "Det er den minimale mængde energi, der skal til for at flytte en elektron over en barriere." Hvis du ikke kan flytte elektronen over barriere, du kan ikke skabe strøm.

Men naturligt forekommende kvantemekaniske fænomener flytter elektroner over barrierer hele tiden. Forskerholdet udnyttede dette til at bygge en selvdrevet enhed, der med en lille indledende energitilførsel, kan køre alene i mere end et år.

Sådan er det bygget:

Enheden er enkel og billig at bygge. Alt det kræver er fire kondensatorer og to transistorer.

Fra disse seks dele, Chakrabarttys team byggede to dynamiske systemer, hver med to kondensatorer og en transistor. Kondensatorerne holder en lille startopladning, omkring 50 millioner elektroner hver.

De tilføjede en transducer til et af systemerne og koblede den til den egenskab, de målte. I én ansøgning, holdet målte omgivende mikrobevægelse ved hjælp af et piezoelektrisk accelerometer, en type transducer, der omdanner mekanisk energi (såsom bevægelse af molekyler i luften) til elektriske signaler.

Dette er hvad du behøver at vide:

Kvantefysik. I det mindste nogle af de mere usædvanlige egenskaber ved subatomære partikler, især tunnelering.

Forestil dig en bakke, sagde Chakrabartty. "Hvis du vil til den anden side, du skal fysisk bestige bakken. Kvantetunnelering er mere som at gå gennem bakken."

Det skønne ved dette, han sagde, er, at når bakken har en bestemt form, du bliver meget unik, dynamiske egenskaber, der kan holde i årevis.

I dette tilfælde, "bakken" er faktisk en barriere kaldet en Fowler-Nordheim tunnelbarriere. Det er placeret mellem pladen af ​​en kondensator og et halvledermateriale; den er mindre end 100 atomer tyk.

Ved at bygge barrieren på en bestemt måde, Chakrabartty sagde, "du kan kontrollere strømmen af ​​elektroner. Du kan gøre den rimelig langsom, ned til én elektron hvert minut og stadig holde den pålidelig." Med den hastighed, det dynamiske system kører som en tidtagningsenhed - uden batterier - i mere end et år.

Sådan fungerer det:

For at måle omgivende bevægelse, et lille piezoelektrisk accelerometer var forbundet til sensoren. Forskere rystede accelerometeret mekanisk; dens bevægelse blev derefter omdannet til et elektrisk signal. Dette signal ændrede formen på barrieren, hvilken, takket være kvantefysikkens regler, ændret hastigheden, hvormed elektronerne tunnelerede gennem barrieren.

For at forstå, hvad der skete, processen skal læses som en slags tilbagestående Rube Goldberg-maskine.

Sandsynligheden for, at et vist antal elektroner vil tunnelere gennem barrieren, er en funktion af barrierens størrelse. Størrelsen af ​​barrieren bestemmes af energien produceret af den piezoelektriske transducer, hvilket igen, bestemmes af accelerationens størrelse - hvor meget den rystede.

Ved at måle sensorkondensatorernes spænding og tælle hvor mange elektroner der manglede, Darshit Mehta, en ph.d. studerende i Chakrabarttys laboratorium og hovedforfatteren på papiret, var i stand til at bestemme den samlede accelerationsenergi.

Selvfølgelig, skal bruges i praksis, disse ekstremt følsomme enheder ville sandsynligvis bevæge sig rundt - på en lastbil, holde styr på den omgivende temperatur i kølekædestyringen af ​​vacciner, for eksempel. Eller i dit blod, overvågning af glukose.

Det er derfor, hver enhed faktisk er to systemer, et følesystem og et referencesystem. I begyndelsen, de to er næsten identiske, kun sensorsystemet var forbundet til en transducer, mens referencesystemet ikke var det.

Begge systemer blev konstrueret således, at elektroner tunnelerede med samme hastighed, bestemt til at tømme deres kondensatorer identisk, hvis der ikke havde været nogen udefrakommende kræfter på spil.

Fordi sensorsystemet blev påvirket af signaler, det modtog fra transduceren, dets elektroner tunnelerede på andre tidspunkter end referencesystemet. Efter forsøgene, forskerholdet aflæste spændingen i både sensor- og referencesystemets kondensatorer. De brugte forskellen i de to spændinger til at finde de sande målinger fra transduceren.

For nogle applikationer, dette endelige resultat er tilstrækkeligt. Det næste skridt for Chakrabarttys team er at overvinde den beregningsmæssige udfordring med mere præcist at genskabe, hvad der skete i fortiden – hvordan præcist blev elektronerne påvirket? Hvornår gik en elektrontunnel gennem barrieren? Hvor lang tid tog det at tunnelere?

Et af målene for Mehtas ph.d. afhandling er at bruge flere enheder til at rekonstruere fortiden. "Oplysningerne er alle gemt på enheden, vi skal bare finde på smart signalbehandling for at løse dette, " sagde Chakrabartty.

Ultimativt, disse sensorer lover alt fra kontinuerlig overvågning af glukoseniveauer inde i den menneskelige krop, til eventuelt at registrere neural aktivitet uden brug af batterier.

"Lige nu, platformen er generisk, " sagde Chakrabartty. "Det afhænger bare af, hvad du kobler til enheden. Så længe du har en transducer, der kan generere et elektrisk signal, den kan selv forsyne vores sensor-data-logger."