利用量子隧道技術(shù)，突破自供電量子傳感器極限，不要電運(yùn)行一年！

沙塔努·查克拉巴蒂實(shí)驗(yàn)室一直致力于制造能用最少能量運(yùn)行的傳感器，而且該實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(xué)麥凱爾維工程學(xué)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(xué)現(xiàn)象一直在推動電子跨越勢壘，研究小組利用這一點(diǎn)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(dú)立運(yùn)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(tuán)隊(duì)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(jì)測量環(huán)境中的微動，這是一種將機(jī)械能（如空氣中分子的運(yùn)動）轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。但是你需要知道：量子物理學(xué)，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(dá)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(dāng)山丘呈某種形狀時，你會獲得非常獨(dú)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(shí)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(dǎo)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(dāng)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(jì)時裝置一樣運(yùn)轉(zhuǎn)一年多（沒有任何供電）。

工作原理

為了測量周圍的運(yùn)動，傳感器上連接了一個微型壓電式加速度計(jì)。研究人員機(jī)械地?fù)u晃加速度計(jì)，然后將其運(yùn)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(xué)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(jī)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(jì)算丟失了多少電子，查克拉巴蒂實(shí)驗(yàn)室的博士生、研究的主要作者達(dá)里特·梅塔(Dardrt Mehta)能夠確定總的加速能量。當(dāng)然，要投入實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(tuán)隊(duì)的下一步是克服計(jì)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(biāo)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。

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博科園｜研究/來自：圣路易斯華盛頓大學(xué)

參考期刊《自然·通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-19292-w

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