Это квантовое устройство может проработать год без подзарядки

По мере того как наша потребность в электронных устройствах и датчиках растет, ученые придумывают новые способы продлить работу устройств при меньшем потреблении энергии.

Последний датчик, который изобретен в лаборатории, может работать целый год на одном заряде энергии, чему способствует физическое явление, известное как квантовое туннелирование.

Аспект туннелирования означает, что с помощью 50 миллионов электронов это простое и недорогое устройство (состоящее всего из четырех конденсаторов и двух транзисторов) может продолжать работать в течение длительного периода времени.

Квантовые правила физики, применяемые на мельчайших атомных масштабах, означают, что электроны могут вести себя и как частицы, и как волны, и ученые смогли использовать это поведение, чтобы точно контролировать поток электронов от одной стороны цепи к другой.

«Если вы хотите попасть на другую сторону, вам нужно физически подняться на холм», — говорит инженер-электрик Шантану Чакрабартти из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

«Квантовое туннелирование больше похоже на прохождение сквозь холм».

Чтобы генерировать ток, устройства должны иметь возможность давать электронам достаточно сильный толчок — то, что называется пороговой энергией, потому что этот толчок должен быть выше определенного порога. Когда вы пытаетесь создать устройства, которые потребляют как можно меньше энергии, достижение этого порога может оказаться непростым делом.

Именно здесь вступает в дело квантовая механика: применяя определенные подходы к формированию «холма» или барьера, который необходимо преодолеть, можно управлять потоком электронов множеством различных способов.

В данном случае «холм» — это то, что называют туннельным барьером Фаулера-Нордхейма, толщиной менее 100 атомов. Построив барьер таким образом, ученые смогли замедлить поток электронов, сохраняя при этом систему (и устройство) стабильной и включенной.

«Представьте, что на дереве свисает яблоко», — говорит Чакрабартти. «Вы можете немного встряхнуть дерево, но яблоко не упадет. Вы должны потянуть его достаточно, чтобы оно уппало».

«Это минимальное количество энергии, необходимое для перемещения электрона через барьер».

Внутри устройства находятся две динамические системы, одна с преобразователем (преобразователем энергии). Команде пришлось работать в обратном направлении, чтобы сформировать холм или барьер, сначала измеряя движение электронов, а затем соответствующим образом уточняя установку Фаулера-Нордхайма.

В конечном итоге исследователи получили устройство, которое использует взаимодействие между двумя внутренними системами для считывания и регистрации данных без дополнительной энергии. Нечто подобное можно использовать, например, для контроля уровня глюкозы в крови или измерения температуры при транспортировке вакцины — батарейки не нужны.

В данном случае в качестве преобразователя использовался пьезоэлектрический акселерометр, который считывал окружающее движение и питался от него, но основные принципы длительной высокоэффективной системы можно применить и к другим типам сбора энергии.

«Сейчас платформа является универсальной», — говорит Чакрабартти. «Это просто зависит от того, что вы подключаете к устройству. Если у вас есть датчик, который может генерировать электрический сигнал, он может питать наш датчик-регистратор данных».

Исследование опубликовано в Nature Communications.