Toto zvláštne kvantové zariadenie dokáže fungovať celý rok bez toho, aby potrebovalo akékoľvek napájanie

Vedci neustále prichádzajú s novými spôsobmi, ako udržať zariadenia v chode dlhšie a s menšou spotrebou energie. Aj preto sa im najnovšie podarilo vyvinúť senzor využívajúci kvantovú mechaniku, ktorý dokáže na jedno dodanie energie fungovať celý jeden rok. Všetko vďaka javu nazvanému kvantové tunelovanie. 

Zariadenie je tvorené pritom iba štyrmi kondenzátormi a dvomi tranzistormi. Kondenzátory obsahujú malý počiatočný náboj, každý asi 50 miliónov elektrónov, uvádza portál Science Alert.

Riadia elektróny

Kvantové pravidlá fyziky, ktoré sa uplatňujú na najmenších atómových úrovniach spôsobujú, že sa elektróny môžu správať ako častice, a tiež ako vlny. Vedci dokázali toto správanie využiť a dokážu presne riadiť tok elektrónov z jednej strany obvodu na druhú. Svoj výskum popisujú v časopise Nature Communications.

“Ak sa chcete dostať na druhú stranu, musíte vystúpiť na kopec,” hovorí Shantanu Chakrabartty z washingtonskej univerzity v Saint Louis a dopĺňa, že kvantové tunelovanie je niečo ako prechod skrz kopec.

Udržali zariadenie stabilné

Aby bolo možné generovať prúd, musia byť zariadenia schopné dať elektrónom dostatočne silný tlak, čo je niečo známe ako prahová energia. Ak sa snažíte vytvoriť zariadenie s čo najnižšou spotrebou energie, môže byť dosiahnutie tohto prahu komplikované.

Tu prichádza na rad kvantová fyzika, resp. jedna časť kvantovej mechaniky. Prijatím určitých prístupov k formovaniu pomysleného “kopca” alebo bariéry, ktorú je potrebné prekonať, je možné riadiť tok elektrónov rôznymi spôsobmi.

V tomto prípade je tým pomyselným “kopcom” tunelová Fowler-Nordheim bariéra s hrúbkou menej ako 100 atómov. Pomocou prechodu cez túto bariéru dokázali vedci spomaliť tok elektrónov až na úplné minimum, pričom ale udržali zariadenie stabilné a zapnuté.

“Predstavte si, že na strome visí jablko. Môžete stromom trochu potriasť, ale jablko nespadne. Musíte ním potriasť dostatočne silno, aby spadlo,” hovorí Chakrabartty.

To je práve minimálne množstvo energie potrebnej na presun elektrónu cez bariéru. Tím vedcov musel akoby pracovať spätne. Najprv zmerali pohyb elektrónov a potom podľa toho zdokonalili nastavenie bariéry.

Využitie vo viacerých odvetviach

Výsledkom je prístroj, ktorý využíva súhru medzi dvomi vnútornými systémami na snímanie a zaznamenávanie údajov. Vedci vidia využitie takýchto zariadení či senzorov napríklad na sledovanie cukru v krvi či na meranie teploty pri preprave citlivých produktov, napríklad vakcín. Takýto senzor by v tomto prípade pracoval bez batérie.

Pozri aj:

Môže Schrödingerova mačka žiť v skutočnom svete? Fyzici to čoskoro zistia