Batterie addio grazie alla quantistica

Un nuovo, semplice ed economico dispositivo elettronico può lavorare per un anno dopo essere stato acceso con un singolo impulso di energia

effetto tunnel

by science alert – David Nield
tradotto e adattato da Giampiero Muzi
22 novembre 2020

Con l’aumento dei nostri bisogni di gadget e sensori elettronici, gli scienziati si stanno inventando nuovi modi per mantenere i dispositivi accesi più a lungo e con minor consumo di energia. L’ultimo ritrovato creato in laboratorio può durare un intero anno con un singolo impulso di energia, grazie al fenomeno fisico noto come quantum tunneling.

L’aspetto del tunneling significa che con l’aiuto di un jumpstart da 50 milioni di elettroni, questo dispositivo semplice ed economico (composto da soli quattro condensatori e due transistor) può continuare a funzionare per un periodo di tempo prolungato.

Le regole della fisica quantistica, applicate alle più piccole scale atomiche, significano che gli elettroni possono comportarsi sia come particelle che come onde, e gli scienziati sono stati in grado di sfruttare quel comportamento per controllare con precisione il flusso di elettroni da un lato all’altro di un circuito.

Se vuoi arrivare dall’altra parte, devi salire fisicamente sulla collina”, dice l’ingegnere elettronico Shantanu Chakrabartty, della Washington University di St. Louis. “Il tunneling quantistico è più come attraversare una collina“.

Per generare corrente, i dispositivi devono essere in grado di dare agli elettroni una spinta abbastanza forte – qualcosa noto come energia di soglia. Quando stai cercando di realizzare dispositivi che funzionino con la minor potenza possibile, raggiungere quella soglia può rivelarsi complicato.

È qui che entra in gioco la parte della meccanica quantistica: adottando determinati approcci per modellare la “collina” o barriera che deve essere superata, è possibile controllare il flusso di elettroni in una varietà di modi diversi.

In questo caso, la “collina” è quella che viene chiamata barriera di tunneling Fowler-Nordheim, con uno spessore inferiore a 100 atomi. Costruendo la barriera in questo modo, gli scienziati sono stati in grado di rallentare il flusso degli elettroni mantenendo il sistema (e il dispositivo) stabile e acceso.

Immagina che ci sia una mela appesa a un albero“, piega Chakrabartty. “Puoi scuotere un po’ l’albero, ma la mela non cade. Devi dargli uno strattone sufficientemente forte per farla cadere“.

Così è la quantità minima di energia necessaria per spostare un elettrone su una barriera“.

All’interno del dispositivo sono presenti due sistemi dinamici, di cui uno con un trasduttore (convertitore di energia). Il team ha dovuto lavorare all’indietro per modellare la propria collina o barriera, misurando prima il movimento degli elettroni e quindi perfezionando di conseguenza la configurazione di Fowler-Nordheim.

Ciò che i ricercatori hanno ottenuto è stato un dispositivo che utilizza l’interazione tra i due sistemi interni per rilevare e registrare i dati senza alcuna alimentazione aggiuntiva. Qualcosa di simile potrebbe essere usato per monitorare il glucosio nel sangue, ad esempio, o misurare la temperatura per il trasporto del vaccino – batterie non necessarie.

In questo caso, il trasduttore utilizzato era un accelerometro piezoelettrico,  che rilevava ed era alimentato dal movimento ambientale, ma i principi di base del sistema di lunga durata e ad alta efficienza possono essere applicati anche ad altri tipi di raccolta di energia.

In questo momento, la piattaforma è generica“, afferma Chakrabartty. “Dipende solo da cosa si accoppia al dispositivo. Finché si dispone di un trasduttore in grado di generare un segnale elettrico, può autoalimentare il nostro sensore-data-logger“.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.