• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Kvanttunnel tänjer på gränserna för självförsörjande sensorer

    Mikrografi av kvanttunnelsensorchipset och de matchade Fowler-Nordheim tunnelbarriärerna. Kredit:Chakrabartty Lab, McKelvey School of Engineering, Washington University i St. Louis

    Shantanu Chakrabarttys laboratorium har arbetat med att skapa sensorer som kan köras på minsta möjliga mängd energi. Hans labb har varit så framgångsrikt med att bygga mindre och effektivare sensorer, att de har stött på en vägspärr i form av en grundläggande fysiklag.

    Ibland, dock, när du träffar vad som verkar vara en ogenomtränglig vägspärr, du behöver bara vända dig till kvantfysiken och gå igenom den. Det gjorde Chakrabartty och andra forskare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St Louis.

    Utvecklingen av dessa självdrivna kvantsensorer från Chakrabarttys labb, Clifford W. Murphy professor vid Preston M. Green Department of Systems &Electrical Engineering, publicerades online den 28 oktober i tidskriften Naturkommunikation.

    Spärren som inspirerade denna forskning är tröskeleffekten.

    "Föreställ dig att det hänger ett äpple från ett träd, " sade Chakrabartty. "Du kan skaka trädet lite, men äpplet faller inte. Du måste ge den tillräckligt med ett ryck för att skaka loss äpplet." Den ryckningen är besläktad med en tröskelenergi. "Det är den minimala mängd energi som behövs för att flytta en elektron över en barriär." Om du inte kan flytta elektronen över barriär, du kan inte skapa ström.

    Men naturligt förekommande kvantmekaniska fenomen flyttar elektroner över barriärer hela tiden. Forskarteamet utnyttjade detta för att bygga en självdriven enhet som, med en liten initial energitillförsel, kan köras på egen hand i mer än ett år.

    Så här är det byggt:

    Enheten är enkel och billig att bygga. Allt som krävs är fyra kondensatorer och två transistorer.

    Från dessa sex delar, Chakrabarttys team byggde två dynamiska system, vardera med två kondensatorer och en transistor. Kondensatorerna håller en liten initial laddning, cirka 50 miljoner elektroner vardera.

    De lade till en givare till ett av systemen och kopplade den till egenskapen de mätte. I en ansökan, teamet mätte omgivande mikrorörelse med en piezoelektrisk accelerometer, en typ av omvandlare som omvandlar mekanisk energi (såsom rörelse av molekyler i luften) till elektriska signaler.

    Det här är vad du behöver veta:

    Kvantfysik. Åtminstone några av de mer ovanliga egenskaperna hos subatomära partiklar, särskilt tunnling.

    Föreställ dig en kulle, sade Chakrabartty. "Om du vill komma till andra sidan, du måste fysiskt klättra uppför backen. Kvanttunnelarbete är mer som att gå genom kullen."

    Det fina med detta, han sa, är att när kullen har en viss form, du blir väldigt unik, dynamiska egenskaper som kan hålla i flera år.

    I detta fall, "kullen" är faktiskt en barriär som kallas en Fowler-Nordheim tunnelbarriär. Den är placerad mellan plattan av en kondensator och ett halvledarmaterial; den är mindre än 100 atomer tjock.

    Genom att bygga barriären på ett visst sätt, Chakrabartty sa, "du kan kontrollera flödet av elektroner. Du kan göra det ganska långsamt, ner till en elektron varje minut och fortfarande hålla den pålitlig." Med den hastigheten, det dynamiska systemet fungerar som en tidtagningsenhet – utan några batterier – i mer än ett år.

    Så här fungerar det:

    För att mäta omgivande rörelse, en liten piezoelektrisk accelerometer var ansluten till sensorn. Forskare skakade mekaniskt accelerometern; dess rörelse omvandlades sedan till en elektrisk signal. Denna signal ändrade formen på barriären, som, tack vare kvantfysikens regler, ändrade hastigheten med vilken elektronerna tunnlade genom barriären.

    För att förstå vad som hände, processen måste läsas som en sorts efterbliven Rube Goldberg-maskin.

    Sannolikheten att ett visst antal elektroner kommer att tunnla genom barriären är en funktion av barriärens storlek. Storleken på barriären bestäms av energin som produceras av den piezoelektriska givaren, vilket i sin tur, bestäms av accelerationens storlek – hur mycket den skakade.

    Genom att mäta sensorkondensatorernas spänning och räkna hur många elektroner som saknades, Darshit Mehta, en Ph.D. student i Chakrabarttys labb och huvudförfattaren på tidningen, kunde bestämma den totala accelerationsenergin.

    Självklart, att komma till praktisk användning, dessa extremt känsliga enheter skulle sannolikt flytta runt – på en lastbil, hålla reda på omgivningstemperaturen vid hantering av vacciner i kylkedjan, till exempel. Eller i ditt blod, övervakning av glukos.

    Det är därför varje enhet faktiskt är två system, ett avkänningssystem och ett referenssystem. Till en början, de två är nästan identiska, endast avkänningssystemet var anslutet till en givare medan referenssystemet inte var det.

    Båda systemen konstruerades så att elektroner tunnlade i samma hastighet, ämnade att tömma sina kondensatorer på samma sätt om det inte funnits några yttre krafter i spel.

    Eftersom avkänningssystemet påverkades av signaler som det tog emot från givaren, dess elektroner tunnlade vid andra tidpunkter än referenssystemet. Efter experimenten, forskargruppen läste av spänningen i både avkännings- och referenssystemets kondensatorer. De använde skillnaden i de två spänningarna för att hitta de sanna mätningarna från givaren.

    För vissa applikationer, detta slutresultat är tillräckligt. Nästa steg för Chakrabarttys team är att övervinna den beräkningsmässiga utmaningen att mer exakt återskapa det som hände i det förflutna – exakt hur påverkades elektronerna? När gick en elektrontunnel genom barriären? Hur lång tid tog det att tunnla?

    Ett av målen för Mehtas Ph.D. avhandlingen är att använda flera enheter för att rekonstruera det förflutna. "All information lagras på enheten, vi måste bara komma på smart signalbehandling för att lösa detta, " sa Chakrabartty.

    I sista hand, dessa sensorer lovar allt från kontinuerlig övervakning av glukosnivåer inuti människokroppen, för att eventuellt registrera neural aktivitet utan att använda batterier.

    "Just nu, plattformen är generisk, " sade Chakrabartty. "Det beror bara på vad du kopplar till enheten. Så länge du har en givare som kan generera en elektrisk signal, den kan självförsörja vår sensor-data-logger."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com