沙塔努·查克拉巴蒂实验室一直致力于制造能用最少能量运行的传感器，而且该实验室在制造更小、更高效的传感器方面非常成功，以至于他们在基本物理定律上遇到了障碍。然而，有时当你遇到一个看似不可逾越的障碍时，你只需要求助于量子物理，并通过隧道穿过它。这就是查克拉巴蒂和圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院研究人员所做的。
查克拉巴蒂是普雷斯顿·M·格林系统工程与电气工程系的克利福德·W·墨菲教授，他的实验室研发的这些自供电量子传感器成果发表在《自然·通讯》期刊上。查克拉巴蒂说：想象一下，树上挂着一个苹果，你可以稍微摇晃一下树，但苹果不会掉下来，你必须给它足够的力才能把苹果摇下来。这相当于一个门槛能量，这是移动电子越过障碍物所需的最低能量，如果不能使电子越过势垒，就不能产生电流。
障碍是门槛效应
但自然而然发生的量子力学现象一直在推动电子跨越势垒，研究小组利用这一点制造了一种自供电设备，只需少量的初始能量输入，就可以独立运行一年多。该设备制造简单，成本低廉，它只需要四个电容器和两个晶体管。在这六个部分的基础上，查克拉巴蒂团队建造了两个动力系统，每个系统都有两个电容器和一个晶体管。这些电容器的初始电荷很小，每个大约有5000万个电子。在其中一个系统中添加了一个传感器，并将其与正在测量的特性相耦合。
在一个应用中，研究小组使用压电加速度计测量环境中的微动，这是一种将机械能（如空气中分子的运动）转化为电信号的传感器。但是你需要知道：量子物理学，至少亚原子粒子的一些更不寻常的特性，特别是隧道效应。想象一下一座山，如果你想到达另一边，你必须亲自爬上这座山，量子隧道更像是穿过这座山。这样做的美妙之处在于，当山丘呈某种形状时，你会获得非常独特的、动态的特性，这些特性可能会持续数年。
在这种情况下，“山”实际上是一个障碍，称为福勒-诺德海姆隧道障碍，它位于电容器的极板和半导体材料之间，厚度不到100个原子。通过以某种方式建立势垒，可以控制电子的流动，可以让它变得相当慢，降到每分钟一个电子，同时还能保持它的可靠性。按照这个速度，动力系统就像计时装置一样运转一年多（没有任何供电）。
工作原理
为了测量周围的运动，传感器上连接了一个微型压电式加速度计。研究人员机械地摇晃加速度计，然后将其运动转化为电信号。这个信号改变了势垒的形状，多亏了量子物理学的规则，改变了电子通过势垒的速度。为了理解发生了什么，这个过程需要被解读为一种倒退的鲁布·戈德堡机器(Rube Goldberg Machine)。一定数量电子通过势垒的概率是势垒大小的函数，障碍物的大小取决于压电换能器产生的能量。
而压电换能器产生的能量又取决于加速度的大小–震动的程度。通过测量传感器电容器的电压并计算丢失了多少电子，查克拉巴蒂实验室的博士生、研究的主要作者达里特·梅塔(Dardrt Mehta)能够确定总的加速能量。当然，要投入实际使用，这些极其敏感的设备可能会四处移动，例如：在卡车上跟踪疫苗冷链管理中的环境温度，或者在血液中监测血糖。这就是为什么每个设备实际上是两个系统，一个传感系统和一个参考系统。
一开始，这两者几乎是一样的，只是传感系统连接到了传感器，而参考系统则没有。这两个系统的设计都是为了让电子以相同的速度隧穿，在没有任何外力的情况下，注定会同样地耗尽它们的电容器。由于传感系统受到从换能器接收到的信号的影响，其电子隧穿的时间与参考系统不同。实验结束后，研究小组读取了传感系统和参考系统电容器中的电压，并利用这两个电压的差值来找出传感器真实测量值。
对于某些应用程序，这个最终结果就足够了。查克拉巴蒂团队的下一步是克服计算挑战，更精确地再现过去发生的事情–电子究竟是如何受到影响的？电子是什么时候穿过势垒的？挖隧道花了多长时间？目标之一是使用多种设备重建过去，信息都存储在设备上，我们只需要想出聪明的信号处理方法来解决这个问题。归根结底，从持续监测人体内的血糖水平，到可能在不使用电池的情况下记录神经活动，这些传感器都有希望。
博科园｜研究/来自：圣路易斯华盛顿大学
参考期刊《自然·通讯》
DOI: 10.1038/s41467-020-19292-w
关键词：
量子隧道
自供电量子传感器