Создано квантово-электронное устройство, способное работать около года на одном импульсе энергии
Несколько последних лет в области электроники, в частности в области устройств из разряда Интернета Вещей, наблюдается тенденция постоянного увеличения энергетической эффективности этих устройств. Это происходит благодаря тому, что ученые и инженеры постоянно изобретают новые методы, позволяющие обеспечить более длительную работу устройств при меньших затратах энергии. Своего рода рекорда в этом направлении удалось добиться ученым из Вашингтонского университета, созданный в их лаборатории опытный вариант датчика-логгера способен работать около года на энергии всего одного импульса, которая эквивалентна суммарной энергии всего 50 миллионов электронов. А достигнуто это было за счет использования физического явления, называемого квантовым туннелированием.
Законы квантовой физики, которые действую на уровне отдельных атомов и субатомных частиц, определяют то, что электрон может вести себя, как частица и как волна одновременно. Это явление называется квантовым дуализмом и в данном случае оно используется для управления перемещениями электронов из одной части схемы в другие практически без потерь энергии.
В обычных электронных устройствах для возникновения электрического тока, который является основным носителем информации, требуется постоянное снабжение электронов избыточной энергией для того, чтобы они могли преодолевать возникающие на их пути потенциальные барьеры. И если вы собираетесь сделать действительно эффективное устройство, работающее с очень малыми затратами энергии, то преодоление потенциальных барьеров необходимо реализовывать более "хитрыми" путями, нежели при традиционном подходе.
И именно здесь нам помогают законы квантовой механики, которые используются для формирования особого потенциального барьера. В данном случае этим барьером является туннельный переход Фаулера-Нордгейма (Fowler-Nordheim tunnelling barrier), ширина которого не превышает 100 атомов. Путем создания такого перехода ученые сумели замедлить поток электронов, что в свою очередь, позволило держать всю систему во включенном стабильном состоянии длительное время.
Созданное учеными устройство состояло из двух систем. Первая система представляла собой датчик и логгер (устройство запоминания показаний датчика), которые можно легко адаптировать или заменить на другие, выполняющие функции контроля концентрации глюкозы в крови, измерения температуры, контроля подачи лекарственных препаратов и т. п.
Второй частью устройства являлся собственно сверхвысокоэффективный динамический преобразователь энергии на базе туннельных переходов Фаулера-Нордгейма, в который поступала энергия от пьезоэлектрического акселерометра, вырабатывающего слабые импульсы тока в ответ на движение. В принципе, столь высокоэффективная система сбора и преобразования энергии вполне допускает использование источников энергии других типов, к примеру, преобразования в электричество малой часть тепла тела человека или энергии радиоволн.
"Сейчас мы имеем универсальную платформу" - пишут исследователи, - "Ее конечная функциональность будет зависеть от того, что будет подключено к нашему высокоэффективному преобразователю энергии, способному обеспечить энергией и датчик и устройство хранения данных, которые смогут работать очень долгое время, не нуждаясь в батарее или другом традиционном источнике энергии".
