Kvanttitunnelointi siirtää omavoimaisten antureiden rajoja

Mikrograafi kvanttitunnelointianturin piirisarjasta ja sovituksesta Fowler-Nordheimin tunnelointiesteisiin.

Suurempi kuva

Washington St. Louisin -yliopiston tutkijat ovat kehitelleet antureita, jotka voivat toimia pienimmällä mahdollisella energiamäärällä. Laboratoriossa on rakennettu onnistuneesti niin pieniä ja tehokkaita antureita, että ne ovat törmänneet fysiikan perusteiden muodostamaan esteeseen.

Sen kohdatessaan tutkijat siirtyivät kvanttifysiikan ja tunneloinnin pariin. Luonnossa esiintyvä kvanttimekaaninen ilmiö siirtää elektroneja esteiden yli koko ajan. Tutkimusryhmä käytti tätä hyväkseen rakentaakseen omavoimaisen laitteen, joka pienellä alkuenergian syötöllä voi toimia yksin yli vuoden ajan.

Laite on yksinkertainen ja edullinen rakentaa. Se vaatii vain neljä kondensaattoria ja kaksi transistoria. Näistä osista Shantanu Chakrabarttyn tutkijatiimi rakensi kaksi samanlaista dynaamista järjestelmää. Molempien kondensaattoreilla on pieni alkuvaraus, noin 50 miljoonaa elektronia.

Kvanttifysiikan mahdollistamaan tunnelointiin vaikuttaa siihen liittyvän esteen ominaisuudet. Tässä tapauksessa käytettiin Fowler-Nordheim tunnelointiestettä.

Rakentamalla este tietyllä tavalla, Chakrabartty sanoo: "Voit hallita elektronien virtausta. Voit tehdä siitä kohtuullisen hitaan, siirtämään yhden elektronin minuutissa ja pitää sitä silti luotettavana. "Tuolloin dynaaminen järjestelmä toimii kuin ajanottolaite - ilman paristoa - yli vuoden.

Ympäristön liikkeen mittaamiseksi tunnelointisensoriin kytkettiin pieni pietsosähköinen kiihtyvyysanturi. Tutkijat ravistelivat kiihtyvyysanturia jolloin se tuotti sähköisen signaalin, joka muutti esteen muotoa, joka edelleen kvanttifysiikan sääntöjen mukaan muutti nopeutta, jolla elektronit tunneloivat esteen läpi.

Jotta ymmärtää mitä tässä tapahtuu, prosessia on luettava eräänlaisena taaksepäin toimintona.

Todennäköisyys, että tietty määrä elektroneja tunneloituu esteen läpi, riippuu esteen koosta. Esteen koko määräytyy pietsosähköisen anturin tuottaman energian määrästä eli siitä kuinka paljon anturia ravisteli.

Mittaamalla sensorikondensaattoreiden jännitteen ja laskemalla, kuinka monta elektronia puuttui, Dakhit Mehta, Chakrabarttyn laboratorion tohtorikoulutettava, pystyi määrittämään kiihtyvyyden kokonaisenergian.

Käytännön toteutuksissa nämä erittäin herkät laitteet todennäköisesti liikkuisivat esimerkiksi ihmisveressä tarkkailemassa glukoosia. Siksi kukin laite on itse asiassa kaksi järjestelmää, tunnistusjärjestelmä ja vertailujärjestelmä. Alussa nämä kaksi ovat lähes identtisiä mutta vain tunnistusjärjestelmä oli kytketty muuntimeen.

Molemmat järjestelmät suunniteltiin siten, että elektronit tunneloituivat samalla nopeudella, ja niiden tarkoitus oli tyhjentää kondensaattorinsa identtisesti, ellei ulkoisia voimia ollut mukana.

Koska tunnistusjärjestelmään vaikutti anturimuuntimelta vastaanotetut signaalit, sen elektronit tunneloitiin eri aikoina kuin vertailujärjestelmän. Kokeiden jälkeen tutkimusryhmä luki jännitteen sekä tunnistus- että vertailujärjestelmän kondensaattoreissa ja näiden kahden jännitteen eroa käytettiin todellisten mittausten löytämiseksi anturimuuntimelta.

Joissakin sovelluksissa tämä on riittävä lopputulos. Seuraava askel Chakrabarttyn tiimille on voittaa laskennallinen haaste elvyttää entistä tarkemmin mitä menneisyydessä tapahtui.

Yksi Dakhit Mehtan väitöskirjan tavoitteista on käyttää useita laitteita menneisyyden rekonstruoimiseksi. "Kaikki informaatio on tallentunut laitteelle, meidän on vain keksittävä älykäs signaalinkäsittely tämän ratkaisemiseksi", Chakrabartty sanoi.

"Tällä hetkellä alusta on yleinen", Chakrabartty sanoi. "Se riippuu vain siitä, mitä laitat pariksi laitteelle. Niin kauan kuin sinulla on anturi, joka pystyy tuottamaan sähköisen signaalin, se voi itse tuottaa käyttöenergian anturi-dataloggeerimme."

Tutkimus A self-powered analog sensor-data-logging device based on Fowler-Nordheim dynamical systems on avoimena Nature Communications –lehdessä.

Aiheesta aiemmin: Tehokkaampaa energian keruuta IoT-antureille