利用量子隧穿效应突破自供电传感器的极限

Shantanu Chakrabartty的实验室一直致力于制造能以最小能量运行的传感器。他的实验室在制造更小更高效的传感器方面非常成功，以至于他们遇到了物理基本定律形式的障碍。

然而，有时，当你遇到一个难以逾越的障碍时，你只需求助于量子物理学，并在其中穿行隧道。这就是Chakrabartty和圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院的其他研究人员所正在做的。

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上图所示为量子隧道传感器芯片组和匹配的福勒-诺德海姆（Fowler-Nordheim）隧道势垒。

激发这项研究的障碍是阈值效应。“想象一下树上挂着一个苹果，”Chakrabartty说，“你可以摇一下树，但苹果不会掉下来。你必须使出足够的力量把苹果抖松，这正是使电子越过势垒所需的最小能量，如果不能使电子越过势垒，就不能产生电流。”

但是，自然发生的量子力学现象总是使电子穿过势垒。研究小组利用这一点，制造了一种自供电装置，这种装置的初始能量输入很小，可以独立运行一年多。

他们是这样建造的

这个装置简单，造价低廉。它只需要四个电容器和两个晶体管。从这六个部分中，Chakrabartty的团队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。电容器的初始电荷很小，每个大约有5000万个电子。

他们在其中一个系统中添加了一个传感器，并将其与他们所测量的特性耦合。在一个应用中，研究小组使用压电加速度计测量环境微运动，压电加速度计是一种将机械能（如空气中分子的运动）转化为电信号的传感器。

你需要知道的是：

量子物理学。至少亚原子粒子的一些更不寻常的特性，特别是隧道效应。“想象一座山，”Chakrabartty说，“如果你想到达另一边，你必须亲自爬山。量子隧穿更像是穿透山体。”

他说，这样做的好处在于，当山丘形成某种形状时，你会得到非常独特的动力特性，这种特性可以持续数年。

在这种情况下，“山丘”实际上是一个叫做福勒-诺德海姆隧道屏障的屏障。它位于电容器的极板和半导体材料之间，它的厚度不到100个原子。

Chakrabartty说，通过以某种方式建立屏障，“你可以控制电子的流动。你可以让它相当慢，每分钟只有一个电子，并且仍然保持它的可靠性。”按照这个速度，动力系统就像一个没有电池的计时器一样运行了一年多。

工作原理如下

为了测量环境运动，传感器上连接了一个微型压电加速度计。研究人员机械地摇晃加速计，然后它的运动被转换成电信号。这个信号改变了势垒的形状，这得益于量子物理学的规则，改变了电子穿过势垒的速度。

为了弄清楚发生了什么，需要把这个过程理解为一种落后的Rube-Goldberg机器。

一定数量的电子穿过势垒的概率是势垒大小的函数。势垒的大小由压电换能器产生的能量决定，而压电换能器的能量又取决于它震动的加速度大小。

通过测量传感器电容器的电压和计算丢失的电子数，Chakrabartty实验室的博士生、论文的主要作者Darshit Mehta能够确定总的加速度能量。

当然，为了实际应用，这些极为敏感的设备可能会在卡车上移动，例如，跟踪疫苗冷链管理的环境温度。或者在你的血液里，监测血糖。

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，两者几乎相同，只是传感系统连接到传感器，而参考系统没有。

这两个系统都被设计成电子以相同的速率隧道，如果没有任何外力的作用，它们的电容器将以同样的速度耗尽。

由于传感系统受到传感器信号的影响，其电子隧道的时间与参考系统不同。实验结束后，研究小组读取了传感和参考系统电容器中的电压。他们利用这两个电压的差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。Chakrabartty团队的下一步是克服计算上的挑战，更精确地再现过去发生的事情，电子究竟是如何受到影响的？电子隧穿屏障是什么时候？到隧道花了多长时间？

Mehta博士论文的目标之一是利用多种设备重建过去。“所有的信息都存储在设备上，我们只需想出巧妙的信号处理来解决这个问题，”Chakrabartty说。

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无需使用电池就能记录神经活动的一切。

“现在，这个平台是通用的，”Chakrabartty说，“这取决于你把什么连接到设备上。只要您有一个能产生电信号的传感器，它就可以为我们的传感器数据记录器自供电。”

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-quantum-tunneling-limits-self-powered-sensors.html

（来源：物理学家组织网，LabBang译）

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