Квантовое туннелирование позволит датчикам работать без батарей

С помощью квантовомеханического эффекта сотрудники Инженерной школы Университета Вашингтона в Сент-Луисе (штат Миссури) преодолели фундаментальное ограничение, препятствовавшее дальнейшему снижению энергопотребления разрабатываемых ими датчиков.

В классической физике электрон может преодолеть энергетический барьер только при условии, что обладает большей энергией. Однако явление квантового туннелирования позволяет электронам меньшей энергии проходить сквозь такой барьер и участвовать в создании электрического тока.

В журнале Nature Communications группа под руководством профессора Шантану Чакрабарти (Shantanu Chakrabartty) смогла отчитаться о создании автономного квантового устройства, способного работать более года от конденсатора с небольшим начальным зарядом (около 50 млн электронов).

Всего из четырёх конденсаторов и двух транзисторов в лаборатории Чакрабарти сконструировали две динамические системы. Одна из них была референсной, а другая соединялась с пьезоэлектрическим преобразователем — датчиком ускорения. Электрический сигнал, поступавший от преобразователя, например, при встряхивании, изменял энергию барьера, что в свою очередь влияло на скорость просачивания сквозь него электронов.

В конце каждого эксперимента учёные сравнивали напряжение на конденсаторах референсной и измерительной систем. Разница показаний давала им реальную величину сигнала от пьезодатчика.

В конечном счете, такие миниатюрные и автономные датчики, по мнению изобретателей, можно будет использовать буквально везде: от непрерывного отслеживания уровня глюкозы в организме человека до регистрации активности мозговых нейронов.