量子隧穿傳感器芯片組和匹配的Fowler-Nordheim隧穿勢壘的顯微照片。圖片提供：圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院Chakrabartty實(shí)驗(yàn)室

Shantanu Chakrabartty的實(shí)驗(yàn)室一直在努力制造可以運(yùn)行最少能量的傳感器。他的實(shí)驗(yàn)室在構(gòu)建更小，更高效的傳感器方面非常成功，以至于它們已經(jīng)成為物理基本定律形式的障礙。

但是，有時(shí)候，當(dāng)您遇到似乎難以逾越的障礙時(shí)，您僅需求助于量子物理學(xué)，并在其中穿行。這就是查克拉巴蒂和圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院的其他研究人員所做的。

Chakrabartty實(shí)驗(yàn)室的這些自供電量子傳感器的開發(fā)，于10月28日在線發(fā)表在《自然通訊》雜志上，該實(shí)驗(yàn)室是普雷斯頓M.格林系統(tǒng)與電氣工程系的Clifford W. Murphy教授。

激發(fā)這項(xiàng)研究的障礙是閾值效應(yīng)。

“想像有一個(gè)蘋果掛在樹上，”查克拉巴蒂說。“你可以搖一搖樹，但是蘋果不會(huì)掉下來。你必須給它足夠的拖力，才能使蘋果搖晃�！� 拖船類似于閾值能量。“這是使電子在勢壘上移動(dòng)所需的最少能量�！� 如果無法將電子移動(dòng)到勢壘上方，則無法產(chǎn)生電流。

但是自然發(fā)生的量子力學(xué)現(xiàn)象始終使電子移動(dòng)通過勢壘。研究團(tuán)隊(duì)利用此優(yōu)勢構(gòu)建了一種自供電設(shè)備，該設(shè)備只需少量的初始能量輸入，即可自行運(yùn)行一年以上。

它是這樣構(gòu)建的：

該裝置簡單且制造便宜。它只需要四個(gè)電容器和兩個(gè)晶體管。

Chakrabartty的團(tuán)隊(duì)從這六個(gè)部分中構(gòu)建了兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，每個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)都帶有兩個(gè)電容器和一個(gè)晶體管。電容器具有少量初始電荷，每個(gè)初始電荷約為5000萬個(gè)電子。

他們在一個(gè)系統(tǒng)中添加了一個(gè)傳感器，并將其耦合到他們正在測量的屬性上。在一個(gè)應(yīng)用中，該團(tuán)隊(duì)使用壓電加速度計(jì)測量了環(huán)境微動(dòng)，壓電加速度計(jì)是一種將機(jī)械能（例如分子在空氣中的運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器。

這是您需要知道的：

量子物理學(xué)。亞原子粒子的至少一些更不尋常的特性，特別是隧穿。

查克拉巴蒂說，想象一下一座小山。“如果要到達(dá)另一側(cè)，則必須親自爬上山坡。量子隧道技術(shù)更像是穿過山坡�！�

他說，這樣做的好處是，當(dāng)山丘呈某種形狀時(shí)，您會(huì)獲得非常獨(dú)特的動(dòng)態(tài)特性，并且可以持續(xù)數(shù)年。

在這種情況下，“山坡”實(shí)際上是一個(gè)稱為Fowler-Nordheim隧道屏障的屏障。它位于電容器的極板和半導(dǎo)體材料之間。它的厚度不到100個(gè)原子。

Chakrabartty說，通過以某種方式建立勢壘，您可以控制電子的流動(dòng)�？梢允蛊渚徛�地運(yùn)轉(zhuǎn)，每分鐘降到一個(gè)電子，并保持其可靠性。以這樣的速度，動(dòng)力系統(tǒng)像一個(gè)計(jì)時(shí)裝置（不帶任何電池）運(yùn)行超過一年。

它是這樣工作的：

為了測量環(huán)境運(yùn)動(dòng)，將一個(gè)微型壓電加速度計(jì)連接到傳感器。研究人員機(jī)械地震動(dòng)了加速度計(jì)。然后將其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該信號(hào)改變了勢壘的形狀，這要?dú)w功于量子物理學(xué)的規(guī)則，從而改變了電子穿過勢壘的速率。

為了弄清楚發(fā)生了什么，該過程需要作為一種落后的Rube Goldberg機(jī)器來讀取。

一定數(shù)量的電子隧穿勢壘的概率是勢壘尺寸的函數(shù)。屏障的大小取決于壓電換能器產(chǎn)生的能量，而壓電換能器又取決于加速度的大小（震動(dòng)幅度）。

通過測量傳感器電容器的電壓并計(jì)算缺少多少電子，Darshit Mehta博士 Chakrabartty實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和論文的主要作者，能夠確定總加速能量。

當(dāng)然，要投入實(shí)際使用，這些極度敏感的設(shè)備可能會(huì)在卡車上四處走動(dòng)，例如跟蹤疫苗的冷鏈管理中的環(huán)境溫度�；蛟谀�的血液中，監(jiān)測葡萄糖。

這就是每個(gè)設(shè)備實(shí)際上是兩個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)原因，一個(gè)傳感系統(tǒng)和一個(gè)參考系統(tǒng)。首先，兩者幾乎是相同的，只有傳感系統(tǒng)連接到傳感器，而參考系統(tǒng)卻沒有。

兩種系統(tǒng)都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以使電子以相同的速率隧穿，如果沒有任何外力作用，它們注定會(huì)以相同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(hào)的影響，因此其電子在與參考系統(tǒng)不同的時(shí)間隧穿。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，研究小組讀取了傳感和參考系統(tǒng)電容器中的電壓。他們利用兩個(gè)電壓的差值從換能器中找到真實(shí)的測量值。

對于某些應(yīng)用，此最終結(jié)果就足夠了。Chakrabartty團(tuán)隊(duì)的下一步是克服計(jì)算難題，即更精確地重現(xiàn)過去發(fā)生的事情-電子受到的影響到底如何？電子什么時(shí)候穿過勢壘的？開通隧道需要多長時(shí)間？

Mehta博士的目標(biāo)之一是 論文是使用多種設(shè)備來重建過去。Chakrabartty說：“信息全部存儲(chǔ)在設(shè)備上，我們只需要提出聰明的信號(hào)處理來解決這個(gè)問題�！�

最終，這些傳感器為從連續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)部葡萄糖水平到可能不使用電池即可記錄神經(jīng)活動(dòng)的一切事物提供了希望。

Chakrabartty說：“目前，該平臺(tái)是通用的�！� “這僅取決于您與設(shè)備耦合的內(nèi)容。只要您擁有可以產(chǎn)生電信號(hào)的傳感器，它就可以為我們的傳感器數(shù)據(jù)記錄器自供電�！�