Le laboratoire de Shantanu Chakrabartty a travaillé pour créer des capteurs qui peuvent fonctionner avec la moindre quantité d'énergie. Son laboratoire a tellement réussi à construire des capteurs plus petits et plus efficaces, qu'ils se sont heurtés à un barrage routier sous la forme d'une loi fondamentale de la physique.

Parfois, cependant, lorsque vous rencontrez ce qui semble être un barrage routier impénétrable, il suffit de se tourner vers la physique quantique et de la traverser en tunnel. C'est ce qu'ont fait Chakrabartty et d'autres chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis.

Le développement de ces capteurs quantiques auto-alimentés du laboratoire de Chakrabartty, le professeur Clifford W. Murphy au département Preston M. Green des systèmes et du génie électrique, a été publié en ligne le 28 octobre dans la revue Communications naturelles.

Le barrage qui a inspiré cette recherche est l'effet de seuil.

"Imaginez qu'il y ait une pomme suspendue à un arbre, " dit Chakrabartty. " Vous pouvez secouer un peu l'arbre, mais la pomme ne tombe pas. Vous devez lui donner assez d'un remorqueur pour secouer la pomme. » Ce remorqueur s'apparente à une énergie de seuil. « C'est la quantité minimale d'énergie nécessaire pour déplacer un électron sur une barrière. » Si vous ne pouvez pas déplacer l'électron sur la barrière, vous ne pouvez pas créer de courant.

Mais le phénomène naturel de la mécanique quantique déplace les électrons à travers les barrières tout le temps. L'équipe de recherche en a profité pour construire un appareil auto-alimenté qui, avec un faible apport d'énergie initiale, peut fonctionner seul pendant plus d'un an.

Voici comment il est construit :

L'appareil est simple et peu coûteux à construire. Tout ce qu'il faut, c'est quatre condensateurs et deux transistors.

De ces six parties, L'équipe de Chakrabartty a construit deux systèmes dynamiques, chacun avec deux condensateurs et un transistor. Les condensateurs détiennent une petite charge initiale, environ 50 millions d'électrons chacun.

Ils ont ajouté un transducteur à l'un des systèmes et l'ont couplé à la propriété qu'ils mesuraient. En une seule application, l'équipe a mesuré le micromouvement ambiant à l'aide d'un accéléromètre piézoélectrique, un type de transducteur qui transforme l'énergie mécanique (comme le mouvement des molécules dans l'air) en signaux électriques.

Voici ce que vous devez savoir :

La physique quantique. Au moins certaines des propriétés les plus inhabituelles des particules subatomiques, en particulier le creusement de tunnels.

Imaginez une colline, dit Chakrabartty. « Si tu veux passer de l'autre côté, vous devez monter physiquement la colline. Le tunnel quantique, c'est plus comme traverser la colline."

La beauté de cela, il a dit, c'est que lorsque la colline a une certaine forme, vous devenez très unique, propriétés dynamiques qui peuvent durer des années.

Dans ce cas, la "colline" est en fait une barrière appelée barrière de tunnel Fowler-Nordheim. Il est placé entre la plaque d'un condensateur et un matériau semi-conducteur; il fait moins de 100 atomes d'épaisseur.

En construisant la barrière d'une certaine manière, Chakrabartty a dit, "vous pouvez contrôler le flux d'électrons. Vous pouvez le rendre raisonnablement lent, jusqu'à un électron par minute tout en le gardant fiable. » À ce rythme, le système dynamique fonctionne comme un chronomètre, sans piles, pendant plus d'un an.

Voilà comment cela fonctionne:

Pour mesurer le mouvement ambiant, un petit accéléromètre piézoélectrique était connecté au capteur. Les chercheurs ont secoué mécaniquement l'accéléromètre; son mouvement se transforma alors en un signal électrique. Ce signal a changé la forme de la barrière, lequel, grâce aux règles de la physique quantique, changé la vitesse à laquelle les électrons ont traversé la barrière.

Pour donner un sens à ce qui s'est passé, le processus doit être lu comme une sorte de machine de Rube Goldberg à l'envers.

La probabilité qu'un certain nombre d'électrons traverse la barrière est fonction de la taille de la barrière. La taille de la barrière est déterminée par l'énergie produite par le transducteur piézoélectrique, lequel, à son tour, est déterminé par l'amplitude de l'accélération, c'est-à-dire combien elle a tremblé.

En mesurant la tension des condensateurs du capteur et en comptant le nombre d'électrons manquants, Darshit Mehta, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Chakrabartty et l'auteur principal de l'article, a pu déterminer l'énergie d'accélération totale.

Bien sûr, à mettre en pratique, ces appareils extrêmement sensibles se déplaceraient probablement - sur un camion, suivi de la température ambiante dans la gestion de la chaîne du froid des vaccins, par exemple. Ou dans ton sang, surveiller la glycémie.

C'est pourquoi chaque appareil est en fait deux systèmes, un système de détection et un système de référence. Au départ, les deux sont presque identiques, seul le système de détection était connecté à un transducteur alors que le système de référence ne l'était pas.

Les deux systèmes ont été conçus pour que les électrons pénètrent au même rythme, destinés à épuiser leurs condensateurs à l'identique s'il n'y avait pas eu de forces extérieures en jeu.

Parce que le système de détection a été affecté par les signaux qu'il a reçus du transducteur, ses électrons tunnelés à des moments différents que le système de référence. Après les expériences, l'équipe de recherche a lu la tension dans les condensateurs du système de détection et de référence. Ils ont utilisé la différence entre les deux tensions pour trouver les vraies mesures du transducteur.

Pour certaines applications, ce résultat final est suffisant. La prochaine étape pour l'équipe de Chakrabartty est de surmonter le défi informatique consistant à recréer plus précisément ce qui s'est passé dans le passé :comment exactement les électrons ont-ils été affectés ? Quand un électron a-t-il traversé la barrière? Combien de temps a-t-il fallu pour creuser un tunnel ?

L'un des objectifs du doctorat de Mehta. La thèse est d'utiliser plusieurs appareils pour reconstruire le passé. "Les informations sont toutes stockées sur l'appareil, nous devons juste proposer un traitement du signal intelligent pour résoudre ce problème, " dit Chakrabartty.

Finalement, ces capteurs sont prometteurs pour tout, de la surveillance continue des niveaux de glucose à l'intérieur du corps humain, d'enregistrer éventuellement l'activité neuronale sans utiliser de piles.

"À l'heure actuelle, la plateforme est générique, " a déclaré Chakrabartty. " Cela dépend simplement de ce que vous couplez à l'appareil. Tant que vous disposez d'un transducteur capable de générer un signal électrique, il peut auto-alimenter notre capteur-enregistreur de données."