Crean dispositivo cuántico que funciona durante un año con una sola dosis de energía

A medida que crece nuestra necesidad de dispositivos y sensores electrónicos, los científicos están ideando nuevas formas de mantener los dispositivos encendidos durante más tiempo con menos energía.

El último sensor que se ha inventado en el laboratorio puede funcionar durante todo un año con una sola explosión de energía, con la ayuda de un fenómeno físico conocido como túnel cuántico.

El aspecto de tunelización significa que con la ayuda de un arrancador de 50 millones de electrones, este dispositivo simple y económico (compuesto por solo cuatro condensadores y dos transistores) puede funcionar durante un período prolongado de tiempo.

Las reglas cuánticas de la física, que se aplican a las escalas atómicas más pequeñas, significan que los electrones pueden comportarse como partículas y como ondas, y los científicos pudieron aprovechar ese comportamiento para controlar con precisión el flujo de electrones de un lado de un circuito al otro.

“Si quieres llegar al otro lado, tienes que subir físicamente la colina“, dice el ingeniero eléctrico Shantanu Chakrabartty, de la Universidad de Washington en St. Louis.

“Hacer túneles cuánticos es más como atravesar la colina“.

Para generar corriente, los dispositivos deben poder dar a los electrones un empuje lo suficientemente fuerte, algo que se conoce como energía de umbral, porque ese empuje debe superar un cierto umbral.

Cuando intenta fabricar dispositivos que funcionen con la menor cantidad de energía posible, alcanzar ese umbral puede resultar complicado.

Aquí es donde entra la parte de la mecánica cuántica: al adoptar ciertos enfoques para dar forma a la ‘colina’ o barrera que debe superarse, es posible controlar el flujo de electrones de varias maneras diferentes.

En este caso, la ‘colina’ es lo que se llama una barrera de túnel Fowler-Nordheim, de menos de 100 átomos de espesor.

Al construir la barrera de esta manera, los científicos pudieron ralentizar el flujo de electrones mientras mantenían el sistema (y el dispositivo) estable y encendido.

“Imagine que hay una manzana colgada de un árbol“, dice Chakrabartty.

“Puede sacudir un poco el árbol, pero la manzana no se cae. Tiene que tirar de él lo suficiente para soltar la manzana“.

“Es la cantidad mínima de energía necesaria para mover un electrón sobre una barrera“.

Dentro del dispositivo hay dos sistemas dinámicos, uno con un transductor (convertidor de energía).

El equipo tuvo que trabajar hacia atrás para dar forma a su colina o barrera, midiendo primero el movimiento de los electrones y luego refinando la configuración de Fowler-Nordheim en consecuencia.

Con lo que los investigadores terminaron fue un dispositivo que usa la interacción entre los dos sistemas internos para detectar y registrar datos sin usar energía adicional.

Algo como esto podría usarse para monitorear la glucosa en la sangre, por ejemplo, o medir la temperatura para el transporte de vacunas; no se necesitan baterías.

En este caso, el transductor utilizado fue un acelerómetro piezoeléctrico, que detectó y fue impulsado por el movimiento ambiental, pero los principios básicos del sistema de larga duración y alta eficiencia también se pueden aplicar a otros tipos de recolección de energía.

“En este momento, la plataforma es genérica“, dice Chakrabartty.

“Solo depende de lo que conecte al dispositivo.

Siempre que tenga un transductor que pueda generar una señal eléctrica, puede autoalimentar nuestro sensor-registrador de datos“.

La investigación se ha publicado en Nature Communications.

Fuentes: Science Alert, Futurism