美科學(xué)家利用量子隧穿提升自供電傳感器性能

10月28日，《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了圣路易斯華盛頓大學(xué)開發(fā)的自供電量子傳感器的研究情況。

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自供電量子傳感器的制造很簡單，也很便宜。它只需要四個(gè)電容器和兩個(gè)晶體管。利用這六個(gè)部件，Chakrabartty實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)建立了兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有兩個(gè)電容器和一個(gè)晶體管。電容器擁有少量的初始電荷，每個(gè)電荷大約有5000萬個(gè)電子。

他們在其中一個(gè)系統(tǒng)中添加了一個(gè)傳感器，并將其與他們正在測量的屬性耦合。在一個(gè)應(yīng)用中，該團(tuán)隊(duì)使用壓電加速度計(jì)測量環(huán)境微動(dòng)，這是一種將機(jī)械能(如空氣中分子的運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。

量子物理學(xué)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(dāng)山丘是某種形狀時(shí)，你會得到非常獨(dú)特的、動(dòng)態(tài)的特性，可以持續(xù)多年。在這種情況下，"山丘 "實(shí)際上是一種叫做福勒-諾德海姆隧道屏障的屏障。它位于電容器的板和半導(dǎo)體材料之間，它的厚度不到100個(gè)原子。

Chakrabartty說："通過以某種方式構(gòu)建屏障，你可以控制電子的流動(dòng)。你可以讓它變得相當(dāng)緩慢，低至每分鐘一個(gè)電子，而且還能保證它的可靠性。" 按照這個(gè)速度，這個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)就像一個(gè)計(jì)時(shí)設(shè)備一樣，不需要任何電池就能運(yùn)行一年多。

自供電量子傳感器的工作原理

為了測量環(huán)境運(yùn)動(dòng)，一個(gè)微小的壓電加速度計(jì)被連接到傳感器上。研究人員機(jī)械地?fù)u動(dòng)加速度計(jì);然后將其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號。這個(gè)信號改變了屏障的形狀，由于量子物理學(xué)的規(guī)則，這改變了電子穿過屏障的速度。

一定數(shù)量的電子通過屏障的概率是屏障大小的函數(shù)。屏障的大小是由壓電傳感器產(chǎn)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(dòng)程度。

通過測量傳感器電容的電壓，并計(jì)算電子丟失的數(shù)量，Chakrabartty實(shí)驗(yàn)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。

這就是為什么每個(gè)設(shè)備實(shí)際上是兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)傳感系統(tǒng)和一個(gè)參考系統(tǒng)。一開始，二者幾乎是一模一樣的，只是傳感系統(tǒng)與換能器相連，而參考系統(tǒng)沒有。這兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使電子以同樣的速度隧穿，如果沒有任何外力的作用，注定會以同樣的速度耗盡其電容器。

由于傳感系統(tǒng)受到從換能器接收到的信號的影響，其電子隧穿的時(shí)間與參考系統(tǒng)不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，研究小組同時(shí)讀取了傳感系統(tǒng)和參考系統(tǒng)電容中的電壓。他們利用這兩個(gè)電壓的差值找到了換能器的真實(shí)測量值。

對于一些應(yīng)用來說，這個(gè)最終結(jié)果已經(jīng)足夠了。Chakrabartty團(tuán)隊(duì)的下一步是克服計(jì)算上的挑戰(zhàn)，更精確地重現(xiàn)過去發(fā)生的事情，即電子究竟受到了什么影響?電子何時(shí)穿過屏障?穿越需要多長時(shí)間?

Mehta博士論文的目標(biāo)之一就是利用多種設(shè)備重建過去。"信息都存儲在設(shè)備上，我們只需要想出巧妙的信號處理來解決這個(gè)問題，"Chakrabartty說。

這些傳感器在從連續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)部的葡萄糖水平，到可能在不使用電池的情況下記錄神經(jīng)活動(dòng)等方面都有應(yīng)用前景。"目前，這個(gè)平臺是通用的，"Chakrabartty說。"這只是取決于你與設(shè)備的耦合。只要你有一個(gè)能產(chǎn)生電信號的傳感器，它就能為我們的傳感器-數(shù)據(jù)記錄器自供電。"

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文章位置：http://muchs.cn/article0/chsdio.html

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