Il laboratorio di Shantanu Chakrabartty ha lavorato per creare sensori in grado di funzionare con la minima quantità di energia. Il suo laboratorio ha avuto così tanto successo nel costruire sensori più piccoli ed efficienti, che hanno incontrato un posto di blocco sotto forma di una legge fondamentale della fisica.

Qualche volta, però, quando colpisci quello che sembra essere un ostacolo impenetrabile, devi solo passare alla fisica quantistica e scavare attraverso di essa. Questo è ciò che hanno fatto Chakrabartty e altri ricercatori della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis.

Lo sviluppo di questi sensori quantistici autoalimentati dal laboratorio di Chakrabartty, il Clifford W. Murphy Professor presso il Preston M. Green Department of Systems &Electrical Engineering, è stato pubblicato online il 28 ottobre sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

L'ostacolo che ha ispirato questa ricerca è l'effetto soglia.

"Immagina che ci sia una mela che pende da un albero, " disse Chakrabartty. "Puoi scuotere un po' l'albero, ma la mela non cade. Devi dargli abbastanza strattone per scuotere la mela." Questo strattone è simile a un'energia soglia. "È la quantità minima di energia necessaria per spostare un elettrone oltre una barriera." Se non puoi spostare l'elettrone sopra il barriera, non puoi creare corrente.

Ma il fenomeno della meccanica quantistica naturale sposta continuamente gli elettroni attraverso le barriere. Il team di ricerca ne ha approfittato per costruire un dispositivo autoalimentato che, con un piccolo apporto di energia iniziale, può funzionare da solo per più di un anno.

Ecco come è costruito:

Il dispositivo è semplice ed economico da costruire. Tutto ciò che richiede sono quattro condensatori e due transistor.

Da queste sei parti, Il team di Chakrabartty ha costruito due sistemi dinamici, ciascuno con due condensatori e un transistor. I condensatori mantengono una piccola carica iniziale, circa 50 milioni di elettroni ciascuno.

Hanno aggiunto un trasduttore a uno dei sistemi e l'hanno accoppiato alla proprietà che stavano misurando. In un'applicazione, il team ha misurato i micromovimenti ambientali utilizzando un accelerometro piezoelettrico, un tipo di trasduttore che trasforma l'energia meccanica (come il movimento delle molecole nell'aria) in segnali elettrici.

Questo è quello che devi sapere:

Fisica quantistica. Almeno alcune delle proprietà più insolite delle particelle subatomiche, in particolare tunneling.

Immagina una collina, disse Chakrabartty. "Se vuoi arrivare dall'altra parte, devi scalare fisicamente la collina. Il tunneling quantistico è più come attraversare la collina."

La bellezza di questo, Egli ha detto, è che quando la collina ha una certa forma, diventi davvero unico, proprietà dinamiche che potrebbero durare per anni.

In questo caso, la "collina" è in realtà una barriera chiamata barriera di Fowler-Nordheim. È posizionato tra l'armatura di un condensatore e un materiale semiconduttore; ha uno spessore inferiore a 100 atomi.

Costruendo la barriera in un certo modo, Chakrabartty ha detto, "puoi controllare il flusso di elettroni. Puoi renderlo ragionevolmente lento, fino a un elettrone ogni minuto e mantenerlo comunque affidabile." A quel ritmo, il sistema dinamico funziona come un dispositivo di cronometraggio, senza batterie, per più di un anno.

È così che funziona:

Per misurare il movimento ambientale, un minuscolo accelerometro piezoelettrico era collegato al sensore. I ricercatori hanno scosso meccanicamente l'accelerometro; il suo moto è stato poi trasformato in un segnale elettrico. Questo segnale ha cambiato la forma della barriera, quale, grazie alle regole della fisica quantistica, modificato la velocità con cui gli elettroni attraversavano la barriera.

Per dare un senso a quello che è successo, il processo va letto come una sorta di macchina di Rube Goldberg a ritroso.

La probabilità che un certo numero di elettroni attraversi la barriera è una funzione delle dimensioni della barriera. La dimensione della barriera è determinata dall'energia prodotta dal trasduttore piezoelettrico, che a loro volta, è determinato dalla grandezza dell'accelerazione, quanto ha tremato.

Misurando la tensione dei condensatori del sensore e contando quanti elettroni mancavano, Darshit Mehta, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Chakrabartty e autore principale dell'articolo, è stato in grado di determinare l'energia di accelerazione totale.

Certo, da mettere in pratica, questi dispositivi estremamente sensibili si muoverebbero probabilmente su un camion, tenere traccia della temperatura ambiente nella gestione della catena del freddo dei vaccini, Per esempio. o nel tuo sangue, monitoraggio del glucosio.

Ecco perché ogni dispositivo è in realtà due sistemi, un sistema di rilevamento e un sistema di riferimento. All'inizio, i due sono quasi identici, solo il sistema di rilevamento era collegato a un trasduttore mentre il sistema di riferimento no.

Entrambi i sistemi sono stati progettati in modo che gli elettroni si incanalassero alla stessa velocità, destinati a esaurire i loro condensatori allo stesso modo se non ci fossero state forze esterne in gioco.

Poiché il sistema di rilevamento è stato influenzato dai segnali ricevuti dal trasduttore, i suoi elettroni sono passati in un tunnel in tempi diversi rispetto al sistema di riferimento. Dopo gli esperimenti, il team di ricerca ha letto la tensione nei condensatori del sistema di rilevamento e di riferimento. Hanno usato la differenza tra le due tensioni per trovare le misurazioni vere dal trasduttore.

Per alcune applicazioni, questo risultato finale è sufficiente. Il prossimo passo per il team di Chakrabartty è superare la sfida computazionale di ricreare più precisamente ciò che è successo in passato:in che modo esattamente sono stati colpiti gli elettroni? Quando un elettrone ha attraversato la barriera? Quanto tempo ci è voluto per il tunnel?

Uno degli obiettivi del dottorato di ricerca di Mehta. la tesi è quella di utilizzare più dispositivi per ricostruire il passato. "Le informazioni sono tutte memorizzate sul dispositivo, dobbiamo solo trovare un'elaborazione intelligente del segnale per risolvere questo problema, " disse Chakrabartty.

In definitiva, questi sensori promettono tutto, dal monitoraggio continuo dei livelli di glucosio all'interno del corpo umano, alla possibile registrazione dell'attività neurale senza l'utilizzo di batterie.

"Proprio adesso, la piattaforma è generica, " Ha detto Chakrabartty. "Dipende solo da cosa si accoppia al dispositivo. Finché si dispone di un trasduttore in grado di generare un segnale elettrico, può autoalimentare il nostro sensore-data-logger."