沙塔努·查克拉巴蒂實驗室一直致力于制造能用最少能量運行的傳感器，而且該實驗室在制造更小、更高效的傳感器方面非常成功，以至于他們在基本物理定律上遇到了障礙。

然而，有時當你遇到一個看似不可逾越的障礙時，你只需要求助于量子物理，并通過隧道穿過它。這就是查克拉巴蒂和圣路易斯華盛頓大學麥凱爾維工程學院研究人員所做的。

查克拉巴蒂是普雷斯頓·M·格林系統(tǒng)工程與電氣工程系的克利福德·W·墨菲教授，他的實驗室研發(fā)的這些自供電量子傳感器成果發(fā)表在《自然·通訊》期刊上。查克拉巴蒂說：想象一下，樹上掛著一個蘋果，你可以稍微搖晃一下樹，但蘋果不會掉下來，你必須給它足夠的力才能把蘋果搖下來。這相當于一個門檻能量，這是移動電子越過障礙物所需的最低能量，如果不能使電子越過勢壘，就不能產(chǎn)生電流。

障礙是門檻效應(yīng)

但自然而然發(fā)生的量子力學現(xiàn)象一直在推動電子跨越勢壘，研究小組利用這一點制造了一種自供電設(shè)備，只需少量的初始能量輸入，就可以獨立運行一年多。該設(shè)備制造簡單，成本低廉，它只需要四個電容器和兩個晶體管。在這六個部分的基礎(chǔ)上，查克拉巴蒂團隊建造了兩個動力系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有兩個電容器和一個晶體管。這些電容器的初始電荷很小，每個大約有5000萬個電子。在其中一個系統(tǒng)中添加了一個傳感器，并將其與正在測量的特性相耦合。

在一個應(yīng)用中，研究小組使用壓電加速度計測量環(huán)境中的微動，這是一種將機械能（如空氣中分子的運動）轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。但是你需要知道：量子物理學，至少亞原子粒子的一些更不尋常的特性，特別是隧道效應(yīng)。想象一下一座山，如果你想到達另一邊，你必須親自爬上這座山，量子隧道更像是穿過這座山。這樣做的美妙之處在于，當山丘呈某種形狀時，你會獲得非常獨特的、動態(tài)的特性，這些特性可能會持續(xù)數(shù)年。

在這種情況下，“山”實際上是一個障礙，稱為福勒-諾德海姆隧道障礙，它位于電容器的極板和半導體材料之間，厚度不到100個原子。通過以某種方式建立勢壘，可以控制電子的流動，可以讓它變得相當慢，降到每分鐘一個電子，同時還能保持它的可靠性。按照這個速度，動力系統(tǒng)就像計時裝置一樣運轉(zhuǎn)一年多（沒有任何供電）。

工作原理

為了測量周圍的運動，傳感器上連接了一個微型壓電式加速度計。研究人員機械地搖晃加速度計，然后將其運動轉(zhuǎn)化為電信號。這個信號改變了勢壘的形狀，多虧了量子物理學的規(guī)則，改變了電子通過勢壘的速度。為了理解發(fā)生了什么，這個過程需要被解讀為一種倒退的魯布·戈德堡機器(Rube Goldberg Machine)。一定數(shù)量電子通過勢壘的概率是勢壘大小的函數(shù)，障礙物的大小取決于壓電換能器產(chǎn)生的能量。

而壓電換能器產(chǎn)生的能量又取決于加速度的大小--震動的程度。通過測量傳感器電容器的電壓并計算丟失了多少電子，查克拉巴蒂實驗室的博士生、研究的主要作者達里特·梅塔(Dardrt Mehta)能夠確定總的加速能量。當然，要投入實際使用，這些極其敏感的設(shè)備可能會四處移動，例如：在卡車上跟蹤疫苗冷鏈管理中的環(huán)境溫度，或者在血液中監(jiān)測血糖。這就是為什么每個設(shè)備實際上是兩個系統(tǒng)，一個傳感系統(tǒng)和一個參考系統(tǒng)。

一開始，這兩者幾乎是一樣的，只是傳感系統(tǒng)連接到了傳感器，而參考系統(tǒng)則沒有。這兩個系統(tǒng)的設(shè)計都是為了讓電子以相同的速度隧穿，在沒有任何外力的情況下，注定會同樣地耗盡它們的電容器。由于傳感系統(tǒng)受到從換能器接收到的信號的影響，其電子隧穿的時間與參考系統(tǒng)不同。實驗結(jié)束后，研究小組讀取了傳感系統(tǒng)和參考系統(tǒng)電容器中的電壓，并利用這兩個電壓的差值來找出傳感器真實測量值。

對于某些應(yīng)用程序，這個最終結(jié)果就足夠了。查克拉巴蒂團隊的下一步是克服計算挑戰(zhàn)，更精確地再現(xiàn)過去發(fā)生的事情--電子究竟是如何受到影響的？電子是什么時候穿過勢壘的？挖隧道花了多長時間？目標之一是使用多種設(shè)備重建過去，信息都存儲在設(shè)備上，我們只需要想出聰明的信號處理方法來解決這個問題。歸根結(jié)底，從持續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)的血糖水平，到可能在不使用電池的情況下記錄神經(jīng)活動，這些傳感器都有希望。

博科園｜研究/來自：圣路易斯華盛頓大學

參考期刊《自然·通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-19292-w

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