Het laboratorium van Shantanu Chakrabartty heeft gewerkt aan het maken van sensoren die op de minste hoeveelheid energie kunnen werken. Zijn lab is zo succesvol geweest in het bouwen van kleinere en efficiëntere sensoren, dat ze een wegversperring zijn tegengekomen in de vorm van een fundamentele natuurwet.

Soms, echter, wanneer je een schijnbaar ondoordringbare wegversperring raakt, je hoeft je alleen maar te wenden tot de kwantumfysica en er doorheen te tunnelen. Dat is wat Chakrabartty en andere onderzoekers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis deden.

De ontwikkeling van deze zelfaangedreven kwantumsensoren uit het lab van Chakrabartty, de Clifford W. Murphy Professor in de Preston M. Green Department of Systems &Electrical Engineering, werd op 28 oktober online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communicatie.

De wegversperring die dit onderzoek inspireerde, is het drempeleffect.

"Stel je voor dat er een appel aan een boom hangt, "Zei Chakrabartty. "Je kunt de boom een ​​beetje schudden, maar de appel valt niet. Je moet er genoeg aan trekken om de appel los te schudden." Die ruk lijkt op een drempelenergie. "Het is de minimale hoeveelheid energie die nodig is om een ​​elektron over een barrière te bewegen." Als je het elektron niet over de barrière, je kunt geen stroom maken.

Maar natuurlijk voorkomende kwantummechanische fenomenen verplaatsen elektronen voortdurend over barrières. Het onderzoeksteam maakte hiervan gebruik om een ​​zelfaangedreven apparaat te bouwen dat, met een kleine initiële energie-input, meer dan een jaar zelfstandig kan draaien.

Dit is hoe het is gebouwd:

Het apparaat is eenvoudig en goedkoop te bouwen. Het enige dat nodig is, zijn vier condensatoren en twee transistors.

Uit deze zes delen Chakrabartty's team heeft twee dynamische systemen gebouwd, elk met twee condensatoren en een transistor. De condensatoren houden een kleine initiële lading vast, elk ongeveer 50 miljoen elektronen.

Ze voegden een transducer toe aan een van de systemen en koppelden deze aan de eigenschap die ze aan het meten waren. In één applicatie, het team heeft de microbeweging in de omgeving gemeten met behulp van een piëzo-elektrische versnellingsmeter, een type transducer dat mechanische energie (zoals beweging van moleculen in de lucht) omzet in elektrische signalen.

Dit is wat u moet weten:

Kwantumfysica. Tenminste enkele van de meer ongebruikelijke eigenschappen van subatomaire deeltjes, vooral tunnelen.

Stel je een heuvel voor, zei Chakrabartty. "Als je naar de andere kant wilt, je moet fysiek de heuvel beklimmen. Kwantumtunneling is meer als door de heuvel gaan."

De schoonheid hiervan, hij zei, is dat wanneer de heuvel een bepaalde vorm heeft, je wordt heel uniek, dynamische eigenschappen die jaren mee kunnen gaan.

In dit geval, de "heuvel" is eigenlijk een barrière die een Fowler-Nordheim-tunnelbarrière wordt genoemd. Het bevindt zich tussen de plaat van een condensator en een halfgeleidermateriaal; het is minder dan 100 atomen dik.

Door de barrière op een bepaalde manier te bouwen, Chakrabartty zei, "je kunt de stroom van elektronen regelen. Je kunt het redelijk langzaam maken, tot één elektron per minuut en houd het nog steeds betrouwbaar." het dynamische systeem werkt als een tijdwaarnemingsapparaat - zonder batterijen - voor meer dan een jaar.

Dit is hoe het werkt:

Om de omgevingsbeweging te meten, een kleine piëzo-elektrische versnellingsmeter was verbonden met de sensor. Onderzoekers schudden mechanisch de versnellingsmeter; zijn beweging werd vervolgens omgezet in een elektrisch signaal. Dit signaal veranderde de vorm van de barrière, die, dankzij de regels van de kwantumfysica, veranderde de snelheid waarmee de elektronen door de barrière tunnelden.

Om te begrijpen wat er is gebeurd, het proces moet worden gelezen als een soort achterlijke Rube Goldberg-machine.

De kans dat een bepaald aantal elektronen door de barrière zal tunnelen, is een functie van de grootte van de barrière. De grootte van de barrière wordt bepaald door de energie die wordt geproduceerd door de piëzo-elektrische transducer, Die op zijn beurt, wordt bepaald door de grootte van de versnelling - hoeveel het schudde.

Door de spanning van de sensorcondensatoren te meten en te tellen hoeveel elektronen er ontbraken, Darshit Mehta, een doctoraat student in Chakrabartty's lab en de hoofdauteur van het papier, was in staat om de totale versnellingsenergie te bepalen.

Natuurlijk, praktisch in te zetten, deze extreem gevoelige apparaten zouden zich waarschijnlijk verplaatsen - op een vrachtwagen, het bijhouden van de omgevingstemperatuur van het koelketenbeheer van vaccins, bijvoorbeeld. Of in je bloed, glucose controleren.

Daarom zijn elk apparaat eigenlijk twee systemen, een detectiesysteem en een referentiesysteem. Aanvankelijk, de twee zijn bijna identiek, alleen het detectiesysteem was verbonden met een transducer, terwijl het referentiesysteem dat niet was.

Beide systemen zijn zo ontworpen dat elektronen met dezelfde snelheid tunnelden, voorbestemd om hun condensatoren op identieke wijze uit te putten als er geen externe krachten in het spel waren geweest.

Omdat het sensorsysteem werd beïnvloed door signalen die het van de transducer ontving, zijn elektronen tunnelden op andere tijdstippen dan het referentiesysteem. Na de experimenten, het onderzoeksteam las de spanning in zowel de sensor- als de referentiesysteemcondensatoren. Ze gebruikten het verschil in de twee spanningen om de ware metingen van de transducer te vinden.

Voor sommige toepassingen is dit eindresultaat is voldoende. De volgende stap voor het team van Chakrabartty is het overwinnen van de rekenkundige uitdaging om nauwkeuriger na te bootsen wat er in het verleden is gebeurd - hoe werden de elektronen precies beïnvloed? Wanneer tunnelde een elektron door de barrière? Hoe lang duurde het om te tunnelen?

Een van de doelen van Mehta's Ph.D. stelling is om meerdere apparaten te gebruiken om het verleden te reconstrueren. "De informatie wordt allemaal op het apparaat opgeslagen, we moeten alleen slimme signaalverwerking bedenken om dit op te lossen, ' zei Chakrabartty.

uiteindelijk, deze sensoren zijn veelbelovend voor alles, van continue monitoring van glucosespiegels in het menselijk lichaam, om mogelijk neurale activiteit te registreren zonder batterijen te gebruiken.

"Direct, het platform is generiek, "Zei Chakrabartty. "Het hangt er maar van af wat je aan het apparaat koppelt. Zolang je een transducer hebt die een elektrisch signaal kan genereren, het kan onze sensor-datalogger van stroom voorzien."