10月28日，《Nature Communications》雜志在線發(fā)表了圣路易斯華盛頓大學(xué)開發(fā)的自供電量子傳感器的研究情況。

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自供電量子傳感器的制造很簡單，也很便宜。它只需要四個電容器和兩個晶體管。利用這六個部件，Chakrabartty實驗室的研究團隊建立了兩個動力系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有兩個電容器和一個晶體管。電容器擁有少量的初始電荷，每個電荷大約有5000萬個電子。

他們在其中一個系統(tǒng)中添加了一個傳感器，并將其與他們正在測量的屬性耦合。在一個應(yīng)用中，該團隊使用壓電加速度計測量環(huán)境微動，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。

量子物理學(xué)中亞原子粒子具有一些不尋常的特性，比如隧穿。Chakrabartty解釋說。"如果你想去一座小山的另一邊，你必須爬山，而量子隧穿更像是直接穿過山體。"

他說，這樣做的好處是，當山丘是某種形狀時，你會得到非常獨特的、動態(tài)的特性，可以持續(xù)多年。在這種情況下，"山丘 "實際上是一種叫做福勒-諾德海姆隧道屏障的屏障。它位于電容器的板和半導(dǎo)體材料之間，它的厚度不到100個原子。

Chakrabartty說："通過以某種方式構(gòu)建屏障，你可以控制電子的流動。你可以讓它變得相當緩慢，低至每分鐘一個電子，而且還能保證它的可靠性。" 按照這個速度，這個動力系統(tǒng)就像一個計時設(shè)備一樣，不需要任何電池就能運行一年多。

自供電量子傳感器的工作原理

為了測量環(huán)境運動，一個微小的壓電加速度計被連接到傳感器上。研究人員機械地搖動加速度計;然后將其運動轉(zhuǎn)化為電信號。這個信號改變了屏障的形狀，由于量子物理學(xué)的規(guī)則，這改變了電子穿過屏障的速度。

一定數(shù)量的電子通過屏障的概率是屏障大小的函數(shù)。屏障的大小是由壓電傳感器產(chǎn)生的能量決定的，而壓電傳感器的能量又是由加速度的大小決定的，也就是它的震動程度。

通過測量傳感器電容的電壓，并計算電子丟失的數(shù)量，Chakrabartty實驗室的博士生、論文的主要作者Darshit Mehta能夠確定總的加速度能量。

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，二者幾乎是一模一樣的，只是傳感系統(tǒng)與換能器相連，而參考系統(tǒng)沒有。這兩個系統(tǒng)的設(shè)計使電子以同樣的速度隧穿，如果沒有任何外力的作用，注定會以同樣的速度耗盡其電容器。

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，研究小組同時讀取了傳感系統(tǒng)和參考系統(tǒng)電容中的電壓。他們利用這兩個電壓的差值找到了換能器的真實測量值。

對于一些應(yīng)用來說，這個最終結(jié)果已經(jīng)足夠了。Chakrabartty團隊的下一步是克服計算上的挑戰(zhàn)，更精確地重現(xiàn)過去發(fā)生的事情，即電子究竟受到了什么影響?電子何時穿過屏障?穿越需要多長時間?

Mehta博士論文的目標之一就是利用多種設(shè)備重建過去。"信息都存儲在設(shè)備上，我們只需要想出巧妙的信號處理來解決這個問題，"Chakrabartty說。

這些傳感器在從連續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)部的葡萄糖水平，到可能在不使用電池的情況下記錄神經(jīng)活動等方面都有應(yīng)用前景。"目前，這個平臺是通用的，"Chakrabartty說。"這只是取決于你與設(shè)備的耦合。只要你有一個能產(chǎn)生電信號的傳感器，它就能為我們的傳感器-數(shù)據(jù)記錄器自供電。"

分享名稱：美科學(xué)家利用量子隧穿提升自供電傳感器性能
文章位置：http://www.aaarwkj.com/article0/chsdio.html

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