O laboratório de Shantanu Chakrabartty tem trabalhado para criar sensores que podem funcionar com a menor quantidade de energia. Seu laboratório tem tido tanto sucesso na construção de sensores menores e mais eficientes, que encontraram um obstáculo na forma de uma lei fundamental da física.

As vezes, Contudo, quando você atinge o que parece ser um obstáculo impenetrável, você só precisa recorrer à física quântica e fazer um túnel através dela. Isso é o que Chakrabartty e outros pesquisadores da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis fizeram.

O desenvolvimento desses sensores quânticos autoalimentados do laboratório de Chakrabartty, o professor Clifford W. Murphy no Departamento de Sistemas e Engenharia Elétrica Preston M. Green, foi publicado online em 28 de outubro na revista Nature Communications.

O obstáculo que inspirou esta pesquisa é o efeito de limiar.

"Imagine que há uma maçã pendurada em uma árvore, "Chakrabartty disse." Você pode sacudir a árvore um pouco, mas a maçã não cai. Você tem que dar um puxão suficiente para sacudir a maçã. "Esse puxão é semelhante a uma energia de limiar." É a quantidade mínima de energia necessária para mover um elétron sobre uma barreira. "Se você não pode mover o elétron sobre o barreira, você não pode criar atual.

Mas o fenômeno da mecânica quântica que ocorre naturalmente move os elétrons através das barreiras o tempo todo. A equipe de pesquisa aproveitou isso para construir um dispositivo com alimentação própria que, com uma pequena entrada de energia inicial, pode funcionar sozinho por mais de um ano.

É assim que ele é construído:

O dispositivo é simples e barato de construir. Tudo o que ele requer são quatro capacitores e dois transistores.

Destas seis partes, A equipe de Chakrabartty construiu dois sistemas dinâmicos, cada um com dois capacitores e um transistor. Os capacitores mantêm uma pequena carga inicial, cerca de 50 milhões de elétrons cada.

Eles adicionaram um transdutor a um dos sistemas e o acoplaram à propriedade que estavam medindo. Em um aplicativo, a equipe mediu o micromovimento ambiente usando um acelerômetro piezoelétrico, um tipo de transdutor que transforma energia mecânica (como o movimento de moléculas no ar) em sinais elétricos.

Isso é o que você precisa saber:

Física quântica. Pelo menos algumas das propriedades mais incomuns das partículas subatômicas, particularmente tunelamento.

Imagine uma colina, Chakrabartty disse. "Se você quiser ir para o outro lado, você tem que subir fisicamente a colina. O tunelamento quântico é mais como atravessar a colina. "

A beleza disso, ele disse, é que quando a colina tem uma certa forma, você fica muito único, propriedades dinâmicas que podem durar anos.

Nesse caso, a "colina" é na verdade uma barreira chamada barreira de túnel Fowler-Nordheim. É posicionado entre a placa de um capacitor e um material semicondutor; tem menos de 100 átomos de espessura.

Ao construir a barreira de uma certa maneira, Chakrabartty disse, "você pode controlar o fluxo de elétrons. Você pode torná-lo razoavelmente lento, reduzir para um elétron a cada minuto e ainda mantê-lo confiável. "Nesse ritmo, o sistema dinâmico funciona como um dispositivo de cronometragem - sem baterias - por mais de um ano.

É assim que funciona:

Para medir o movimento do ambiente, um minúsculo acelerômetro piezoelétrico foi conectado ao sensor. Os pesquisadores balançaram mecanicamente o acelerômetro; seu movimento foi então transformado em um sinal elétrico. Este sinal mudou a forma da barreira, que, graças às regras da física quântica, mudou a taxa na qual os elétrons tunelavam através da barreira.

Para entender o que aconteceu, o processo precisa ser lido como uma espécie de máquina Rube Goldberg retrógrada.

A probabilidade de que um certo número de elétrons atinja a barreira é uma função do tamanho da barreira. O tamanho da barreira é determinado pela energia produzida pelo transdutor piezoelétrico, que por sua vez, é determinado pela magnitude da aceleração - o quanto ela balançou.

Medindo a tensão dos capacitores do sensor e contando quantos elétrons estavam faltando, Darshit Mehta, um Ph.D. aluno do laboratório de Chakrabartty e autor principal do artigo, foi capaz de determinar a energia total de aceleração.

Claro, para ser colocado em uso prático, esses dispositivos extremamente sensíveis provavelmente estariam se movendo - em um caminhão, manter o controle da temperatura ambiente no gerenciamento de vacinas da cadeia de frio, por exemplo. Ou em seu sangue, monitoramento de glicose.

É por isso que cada dispositivo é, na verdade, dois sistemas, um sistema de detecção e um sistema de referência. No início, os dois são quase idênticos, apenas o sistema de detecção foi conectado a um transdutor, enquanto o sistema de referência não.

Ambos os sistemas foram projetados para que os elétrons entrassem em túnel na mesma taxa, destinados a esgotar seus capacitores de forma idêntica se não houvesse nenhuma força externa em jogo.

Como o sistema de detecção foi afetado pelos sinais recebidos do transdutor, seus elétrons tunelaram em momentos diferentes do sistema de referência. Após os experimentos, a equipe de pesquisa leu a tensão nos capacitores do sistema de detecção e referência. Eles usaram a diferença nas duas tensões para encontrar as medidas verdadeiras do transdutor.

Para alguns aplicativos, este resultado final é suficiente. O próximo passo para a equipe de Chakrabartty é superar o desafio computacional de recriar com mais precisão o que aconteceu no passado - como exatamente os elétrons foram afetados? Quando um elétron tunelizou através da barreira? Quanto tempo demorou para construir um túnel?

Um dos objetivos do doutorado de Mehta. tese é usar vários dispositivos para reconstruir o passado. “As informações são todas armazenadas no dispositivo, só temos que criar um processamento de sinal inteligente para resolver isso, "Chakrabartty disse.

Em última análise, esses sensores são uma promessa para tudo, desde o monitoramento contínuo dos níveis de glicose dentro do corpo humano, para possivelmente registrar a atividade neural sem o uso de baterias.

"Agora mesmo, a plataforma é genérica, "Chakrabartty disse." Depende apenas do que você acopla ao dispositivo. Contanto que você tenha um transdutor que pode gerar um sinal elétrico, ele pode autoalimentar nosso sensor-data-logger. "