作者布兰迪·杰斐逊，华盛顿大学圣路易斯分校
路易斯（号外乐团成员） 量子隧道传感器芯片组和匹配的福勒-诺德海姆隧道势垒的显微照片
学分:查克拉巴蒂实验室，华盛顿大学工程学院
路易斯（号外乐团成员） 尚塔努·查克拉巴蒂的实验室一直致力于制造能以最少能量运行的传感器
他的实验室在制造更小、更高效的传感器方面非常成功，以至于它们遇到了物理学基本定律形式的障碍
然而，有时当你遇到看似无法逾越的障碍时，你不得不求助于量子物理并从中穿过
这是查克拉巴蒂和其他研究人员在华盛顿大学圣
路易做到了
克利福德·W·查克拉巴蒂实验室开发的这些自供电量子传感器
普雷斯顿博物馆的墨菲教授
《系统与电气工程绿色系》于10月15日在线出版
28发表在《自然通讯》杂志上
激发这项研究的障碍是门槛效应
“想象有一个苹果挂在树上，”查克拉巴蒂说
“你可以稍微摇一下树，但苹果不会掉下来
你必须用力把苹果摇松
“那艘拖船类似于一种门槛能量
“这是使一个电子越过屏障所需的最小能量
“如果你不能移动电子越过屏障，你就不能产生电流
但是自然发生的量子力学现象会让电子一直跨越障碍
研究小组利用这一点建造了一个自供电设备，初始能量输入很少，可以独立运行一年以上
它是这样建造的: 该设备制造简单且成本低廉
它只需要四个电容和两个晶体管
查克拉巴蒂的团队从这六个部分构建了两个动力系统，每个系统都有两个电容器和一个晶体管
电容器保持一个小的初始电荷，每个大约5000万个电子
他们在其中一个系统中添加了一个传感器，并将其与他们正在测量的属性相耦合
在一项应用中，该团队使用压电加速度计测量周围的微动，这是一种将机械能(如空气中分子的运动)转化为电信号的传感器
这是你需要知道的: 量子物理学
至少亚原子粒子的一些更不寻常的性质，特别是隧道效应
查克拉巴蒂说，想象一座小山
“如果你想到达另一边，你必须亲自去爬山
量子隧道更像是穿过山丘
" 他说，这样做的好处是，当山是一种特定的形状时，你会得到非常独特的、可以持续数年的动态特性
在这种情况下，“山”实际上是一个屏障，称为福勒-诺德海姆隧道屏障
它位于电容器极板和半导体材料之间；它不到100个原子厚
查克拉巴蒂说，通过以某种方式建造屏障，“你可以控制电子流
你可以让它相当慢，降到每分钟一个电子，但仍然保持它的可靠性
“以这样的速度，动力系统就像一个计时装置——没有任何电池——运行了一年多
它是这样工作的: 为了测量环境运动，一个微型压电加速度计连接到传感器上
研究人员机械地摇动加速度计；它的运动然后被转换成电信号
这个信号改变了屏障的形状，由于量子物理的规则，改变了电子穿过屏障的速度
为了搞清楚发生了什么，这个过程需要被理解为一种落后的鲁伯·戈德堡机器
一定数量的电子隧穿势垒的概率是势垒大小的函数
屏障的大小由压电换能器产生的能量决定，而能量又由加速度的大小决定——它震动了多少
通过测量传感器电容的电压和计算有多少电子丢失
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查克拉巴蒂实验室的学生和这篇论文的主要作者，能够确定总加速度能量
当然，为了投入实际应用，这些极其敏感的设备可能会四处移动——例如，在卡车上，在疫苗的冷链管理中跟踪环境温度
或者在你的血液中，监测葡萄糖
这就是为什么每个设备实际上是两个系统，一个传感系统和一个参考系统
一开始，两者几乎完全相同，只是传感系统与传感器相连，而参考系统没有
这两个系统都被设计成电子以相同的速度隧穿，如果没有任何外力的作用，它们的电容器注定会完全耗尽
因为传感系统受到传感器信号的影响，所以它的电子在不同于参考系统的时间隧穿
实验结束后，研究小组读取了传感和参考系统电容中的电压
他们利用两个电压的差值来找到传感器的真实测量值
对于某些应用，这个最终结果就足够了
查克拉巴蒂团队的下一步是克服计算挑战，更精确地再现过去发生的事情——电子到底是如何受到影响的？电子是什么时候穿过屏障的？挖隧道花了多长时间？ 梅塔博士的目标之一
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论文是用多种手段来重建过去
查克拉巴蒂说:“信息都存储在设备上，我们只需要想出巧妙的信号处理来解决这个问题。”
最终，这些传感器有望实现从连续监测人体内葡萄糖水平，到可能不使用电池记录神经活动的所有功能
查克拉巴蒂说:“现在，这个平台是通用的。”
“这取决于你连接到设备的是什么
只要你有一个能产生电信号的传感器，它就能自我驱动我们的传感器数据记录器
"
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