El laboratorio de Shantanu Chakrabartty ha estado trabajando para crear sensores que puedan funcionar con la menor cantidad de energía. Su laboratorio ha tenido tanto éxito en la construcción de sensores más pequeños y eficientes, que se han topado con un obstáculo en la forma de una ley fundamental de la física.

Algunas veces, sin embargo, cuando te topas con lo que parece ser un obstáculo impenetrable, solo tienes que recurrir a la física cuántica y atravesarla. Eso es lo que hicieron Chakrabartty y otros investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis.

El desarrollo de estos sensores cuánticos autoamplificados del laboratorio de Chakrabartty, el profesor Clifford W. Murphy en el Departamento de Sistemas e Ingeniería Eléctrica de Preston M. Green, fue publicado en línea el 28 de octubre en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

El obstáculo que inspiró esta investigación es el efecto umbral.

"Imagina que hay una manzana colgada de un árbol, "Chakrabartty dijo." Puedes sacudir el árbol un poco, pero la manzana no se cae. Tienes que darle un tirón suficiente para soltar la manzana ". Ese tirón es similar a un umbral de energía." Es la cantidad mínima de energía necesaria para mover un electrón sobre una barrera ". Si no puedes mover el electrón sobre la barrera, no puede crear corriente.

Pero el fenómeno de la mecánica cuántica que ocurre naturalmente mueve electrones a través de barreras todo el tiempo. El equipo de investigación aprovechó esto para construir un dispositivo autoamplificado que, con una pequeña entrada de energía inicial, puede funcionar por sí solo durante más de un año.

Así es como está construido:

El dispositivo es simple y económico de construir. Todo lo que necesita son cuatro condensadores y dos transistores.

De estas seis partes, El equipo de Chakrabartty construyó dos sistemas dinámicos, cada uno con dos condensadores y un transistor. Los condensadores tienen una pequeña carga inicial, unos 50 millones de electrones cada uno.

Agregaron un transductor a uno de los sistemas y lo acoplaron a la propiedad que estaban midiendo. En una aplicación el equipo midió el micromovimiento ambiental usando un acelerómetro piezoeléctrico, un tipo de transductor que convierte la energía mecánica (como el movimiento de moléculas en el aire) en señales eléctricas.

Esto es lo que necesitas saber:

Física cuántica. Al menos algunas de las propiedades más inusuales de las partículas subatómicas, particularmente túneles.

Imagina una colina Dijo Chakrabartty. "Si quieres llegar al otro lado, tienes que subir físicamente la colina. La construcción de túneles cuánticos es más como atravesar la colina ".

La belleza de esto él dijo, es que cuando la colina tiene una forma determinada, te vuelves muy único, propiedades dinámicas que podrían durar años.

En este caso, la "colina" es en realidad una barrera llamada barrera de túnel de Fowler-Nordheim. Se coloca entre la placa de un condensador y un material semiconductor; tiene menos de 100 átomos de espesor.

Al construir la barrera de cierta manera, Chakrabartty dijo:"puedes controlar el flujo de electrones. Puedes hacerlo razonablemente lento, a un electrón por minuto y aún así mantenerlo confiable ". A ese ritmo, el sistema dinámico funciona como un dispositivo de cronometraje, sin baterías, durante más de un año.

Así es como funciona:

Para medir el movimiento ambiental, un diminuto acelerómetro piezoeléctrico fue conectado al sensor. Los investigadores agitaron mecánicamente el acelerómetro; su movimiento luego se transformó en una señal eléctrica. Esta señal cambió la forma de la barrera, cuales, gracias a las reglas de la física cuántica, cambió la velocidad a la que los electrones atravesaron la barrera.

Para darle sentido a lo que pasó, el proceso debe leerse como una especie de máquina Rube Goldberg al revés.

La probabilidad de que un cierto número de electrones atraviese la barrera es una función del tamaño de la barrera. El tamaño de la barrera está determinado por la energía producida por el transductor piezoeléctrico, que a su vez, está determinada por la magnitud de la aceleración:cuánto se sacudió.

Midiendo el voltaje de los capacitores del sensor y contando cuántos electrones faltaban, Darshit Mehta, un doctorado estudiante en el laboratorio de Chakrabartty y autor principal del artículo, pudo determinar la energía de aceleración total.

Por supuesto, para ponerlo en práctica, Estos dispositivos extremadamente sensibles probablemente se estarían moviendo:en un camión, realizar un seguimiento de la temperatura ambiente en la gestión de la cadena de frío de las vacunas, por ejemplo. O en tu sangre monitorización de la glucosa.

Es por eso que cada dispositivo es en realidad dos sistemas, un sistema de detección y un sistema de referencia. Al principio, los dos son casi idénticos, solo el sistema de detección estaba conectado a un transductor, mientras que el sistema de referencia no lo estaba.

Ambos sistemas fueron diseñados para que los electrones tunelizaran a la misma velocidad, destinados a agotar sus condensadores de forma idéntica si no hubiera habido fuerzas externas en juego.

Debido a que el sistema de detección se vio afectado por las señales que recibió del transductor, sus electrones tunelizaron en diferentes momentos que el sistema de referencia. Después de los experimentos, el equipo de investigación leyó el voltaje en los condensadores del sistema de detección y de referencia. Usaron la diferencia en los dos voltajes para encontrar las verdaderas medidas del transductor.

Para algunas aplicaciones, este resultado final es suficiente. El siguiente paso para el equipo de Chakrabartty es superar el desafío computacional de recrear con mayor precisión lo que sucedió en el pasado:¿cómo fueron exactamente afectados los electrones? ¿Cuándo pasó un electrón a través de la barrera? ¿Cuánto tiempo se tardó en hacer un túnel?

Uno de los objetivos del Ph.D. de Mehta. La tesis es utilizar múltiples dispositivos para reconstruir el pasado. "Toda la información se almacena en el dispositivo, solo tenemos que idear un procesamiento de señal inteligente para resolver esto, "Dijo Chakrabartty.

Por último, Estos sensores son prometedores para todo, desde el monitoreo continuo de los niveles de glucosa dentro del cuerpo humano, posiblemente para registrar la actividad neuronal sin usar baterías.

"Ahora, la plataforma es genérica, "Dijo Chakrabartty." Depende de lo que acople al dispositivo. Siempre que tenga un transductor que pueda generar una señal eléctrica, puede autoalimentar nuestro sensor-registrador de datos ".