Кілька останніх років в області електроніки, зокрема в області пристроїв з розряду Інтернету Речей, спостерігається тенденція постійного збільшення енергетичної ефективності цих пристроїв. Це відбувається завдяки тому, що вчені та інженери постійно винаходять нові методи, що дозволяють забезпечити більш тривалу роботу пристроїв при менших витратах енергії. Свого роду рекорду в цьому напрямку вдалося добитися вченим з Вашингтонського університету, створений в їх лабораторії досвідчений варіант датчика-Логгер здатний працювати близько року на енергії всього одного імпульсу, яка еквівалентна сумарній енергії всього 50 мільйонів електронів. А досягнуто це було за рахунок використання фізичного явища, званого квантовим туннелированием.
Закони квантової фізики, які діють на рівні окремих атомів і субатомних частинок, визначають те, що електрон може поводитися, як частка і як хвиля одночасно. Це явище називається квантовим дуалізмом і в даному випадку воно використовується для управління переміщеннями електронів з однієї частини схеми в інші практично без втрат енергії.
У звичайних електронних пристроях для виникнення електричного струму, який є основним носієм інформації, потрібне постійне постачання електронів надлишкової енергією для того, щоб вони могли долати виникаючі на їх шляху потенційні бар’єри. І якщо ви збираєтеся зробити дійсно ефективний пристрій, що працює з дуже малими витратами енергії, то подолання потенційних бар’єрів необхідно реалізовувати більш “хитрими” шляхами, ніж при традиційному підході.
І саме тут нам допомагають закони квантової механіки, які використовуються для формування особливого потенційного бар’єру. В даному випадку цим бар’єром є тунельний перехід Фаулера-Нордгейма (Fowler-Nordheim tunnelling barrier), ширина якого не перевищує 100 атомів. Шляхом створення такого переходу вчені зуміли уповільнити потік електронів, що в свою чергу, дозволило тримати всю систему у включеному стабільному стані тривалий час.
Створене вченими пристрій складався з двох систем. Перша система являла собою датчик і логгер (пристрій запам’ятовування показань датчика), які можна легко адаптувати або замінити на інші, які виконують функції контролю концентрації глюкози в крові, вимірювання температури, контролю подачі лікарських препаратів і т.п.
Другою частиною устрою був власне сверхвисокоеффектівний динамічний перетворювач енергії з урахуванням тунельних переходів Фаулера-Нордгейма, в який надходила енергія від п’єзоелектричного акселерометра, який виробляє слабкі імпульси струму у відповідь на рух. В принципі, настільки високоефективна система збору та перетворення енергії цілком допускає використання джерел енергії інших типів, наприклад, перетворення в електрику малої частина тепла тіла людини або енергії радіохвиль.
“Зараз ми маємо універсальну платформу” – пишуть дослідники, – “Її кінцева функціональність буде залежати від того, що буде підключено до нашого високоефективному перетворювача енергії, здатному забезпечити енергією і датчик і пристрій зберігання даних, які зможуть працювати дуже довгий час, не потребуючи батареї або іншому традиційному джерелі енергії “.