量子隧穿效应可使微传感器运行一整年

我们对微电子元件和传感器的需求日益增长,科学家们在努力构思全新工艺来降低设备的能耗同时提升续航时间。

借助量子隧穿效应,最新发明的传感器可以运行一年,仅仅需要一开始“冲”它一下。这种简单又便宜的设备(仅由四个电容器和两个晶体管组成)可以持续运行很长一段时间。

科学家利用电子的波粒二象性来精确控制电流从电路的一侧流向另一侧。

以往为了产生电流,需要对电子施加足够强的推动力——被称为阈值能量,因为该推动力必须超过某个阈值。当我们追求低功率器件时,阈值能量就会很烦人,让能量支出非常不经济。

圣路易斯华盛顿大学的电气工程师Shantanu Chakrabartty说:“通常如果要到达山的另一侧,就必须先爬上山顶。量子隧道则更像是穿过山丘的隧道,可以用更少的能量完成电子的迁移。”

量子力学部分的用武之地:通过采取某些方法来特意制造需要克服的“斜坡”或势垒,以多种不同方式控制电子的流动。

在这种情况下,“山坡”就是所谓的Fowler-Nordheim隧道势垒,厚度不到100个原子。通过以这种方式建立势垒,科学家们能够在保持系统(和设备)稳定并开启的同时,减慢电子的流动速度。

“想像有一个苹果挂在树上,摇一摇树,苹果没有掉下来。你必须给它足够的冲击,才能把苹果晃下来。使电子穿越势垒上也有所需的最少能量。”

设备内有两个动力系统,一个带有一个换能器(能量转换器)。研究人员最终得到利用两个内部系统之间相互作用的设备,无需额外的电源即可感应和记录数据。诸如此类的东西可用于监测血糖,测量疫苗运输的温度——无需电池。

传感器是压电加速度计,它可以感应并由周围的运动提供动力,但是基本原理也可以应用于其他类型的能量收集器。

Chakrabartty说:“目前,该平台是通用的。仅取决于您与设备耦合的内容。只要可以产生电信号,它就可以为我们的传感器数据记录器自供电。”

该研究已发表在《自然·通讯》上。

原文:https://www.sciencealert.com/a-quantum-push-can-keep-this-self-powered-device-running-for-a-year

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