Tecnologia Científica

O tunelamento quântico empurra os limites dos sensores autoalimentados
O dispositivo é simples e barato de construir. Tudo que ele requer são quatro capacitores e dois transistores.
Por Brandie Jefferson - 17/11/2020


Micrografia do chipset do sensor de tunelamento quântico e as barreiras de tunelamento Fowler-Nordheim correspondentes. Crédito: Chakrabartty Lab, McKelvey School of Engineering, Washington University em St. Louis

O laboratório de Shantanu Chakrabartty tem trabalhado para criar sensores que podem funcionar com o mínimo de energia. Seu laboratório teve tanto sucesso na construção de sensores menores e mais eficientes, que eles se depararam com um obstáculo na forma de uma lei fundamental da física.

Às vezes, entretanto, quando você atinge o que parece ser um obstáculo impenetrável, você apenas precisa recorrer à física quântica e passar por ela. 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 do 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", disse Chakrabartty. "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 a barreira, você não pode criar corrente.

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 por conta própria por mais de um ano.

É assim que ele é construído:

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

A partir dessas 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 o tunelamento.

Imagine uma colina, disse Chakrabartty. "Se você quiser chegar ao outro lado, terá que escalar fisicamente a colina. A construção de um túnel quântico é mais como atravessar a colina."

A beleza disso, disse ele, é que quando a colina tem uma determinada forma, você obtém propriedades dinâmicas muito exclusivas que podem durar anos.

Nesse caso, a "colina" é na verdade uma barreira chamada barreira de túnel Fowler-Nordheim. Ele 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, até 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. Esse sinal mudou o formato da barreira, que, graças às regras da física quântica, mudou a taxa na qual os elétrons tunelizaram através da barreira.

Para entender o que aconteceu, o processo precisa ser lido como uma espécie de máquina de 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 ele tremia.

Ao medir a tensão dos capacitores do sensor e contar quantos elétrons estavam faltando, Darshit Mehta, um Ph.D. estudante no laboratório de Chakrabartty e autor principal do artigo, foi capaz de determinar a energia total de aceleração.

É claro que, para serem colocados em uso prático, esses dispositivos extremamente sensíveis provavelmente estariam se movendo - em um caminhão, monitorando a temperatura ambiente ou no gerenciamento de vacinas na cadeia de frio, por exemplo. Ou em seu sangue, monitorando a 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 por sinais que recebeu 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 verdadeiras medições do transdutor.

Para algumas aplicações, 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 criar 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 precisamos criar um processamento de sinal inteligente para resolver isso", disse Chakrabartty.

Em última análise, esses sensores são promissores para tudo, desde o monitoramento contínuo dos níveis de glicose dentro do corpo humano até o possível registro da atividade neural sem o uso de baterias.

"No momento, a plataforma é genérica", disse Chakrabartty. "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."

 

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