美科学家利用量子隧穿提升自供电传感器性能

10月28日，《Nature Communications》杂志在线发表了圣路易斯华盛顿大学开发的自供电量子传感器的研究情况。

自供电量子传感器的制造很简单，也很便宜。它只需要四个电容器和两个晶体管。利用这六个部件，Chakrabartty实验室的研究团队建立了两个动力系统，每个系统都有两个电容器和一个晶体管。电容器拥有少量的初始电荷，每个电荷大约有5000万个电子。

他们在其中一个系统中添加了一个传感器，并将其与他们正在测量的属性耦合。在一个应用中，该团队使用压电加速度计测量环境微动，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。

量子物理学中亚原子粒子具有一些不寻常的特性，比如隧穿。Chakrabartty解释说。"如果你想去一座小山的另一边，你必须爬山，而量子隧穿更像是直接穿过山体。"

他说，这样做的好处是，当山丘是某种形状时，你会得到非常独特的、动态的特性，可以持续多年。在这种情况下，"山丘 "实际上是一种叫做福勒-诺德海姆隧道屏障的屏障。它位于电容器的板和半导体材料之间，它的厚度不到100个原子。

Chakrabartty说："通过以某种方式构建屏障，你可以控制电子的流动。你可以让它变得相当缓慢，低至每分钟一个电子，而且还能保证它的可靠性。" 按照这个速度，这个动力系统就像一个计时设备一样，不需要任何电池就能运行一年多。

自供电量子传感器的工作原理

为了测量环境运动，一个微小的压电加速度计被连接到传感器上。研究人员机械地摇动加速度计;然后将其运动转化为电信号。这个信号改变了屏障的形状，由于量子物理学的规则，这改变了电子穿过屏障的速度。

一定数量的电子通过屏障的概率是屏障大小的函数。屏障的大小是由压电传感器产生的能量决定的，而压电传感器的能量又是由加速度的大小决定的，也就是它的震动程度。

通过测量传感器电容的电压，并计算电子丢失的数量，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。

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，二者几乎是一模一样的，只是传感系统与换能器相连，而参考系统没有。这两个系统的设计使电子以同样的速度隧穿，如果没有任何外力的作用，注定会以同样的速度耗尽其电容器。

由于传感系统受到从换能器接收到的信号的影响，其电子隧穿的时间与参考系统不同。实验结束后，研究小组同时读取了传感系统和参考系统电容中的电压。他们利用这两个电压的差值找到了换能器的真实测量值。

对于一些应用来说，这个最终结果已经足够了。Chakrabartty团队的下一步是克服计算上的挑战，更精确地重现过去发生的事情，即电子究竟受到了什么影响?电子何时穿过屏障?穿越需要多长时间?

Mehta博士论文的目标之一就是利用多种设备重建过去。"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，"Chakrabartty说。

这些传感器在从连续监测人体内部的葡萄糖水平，到可能在不使用电池的情况下记录神经活动等方面都有应用前景。"目前，这个平台是通用的，"Chakrabartty说。"这只是取决于你与设备的耦合。只要你有一个能产生电信号的传感器，它就能为我们的传感器-数据记录器自供电。"