Cet appareil quantique étrange et bon marché peut fonctionner pendant un an avec un seul coup d’énergie

Alors que notre besoin en gadgets électroniques et en capteurs augmente, les scientifiques trouvent de nouvelles façons de faire fonctionner les appareils plus longtemps avec moins d’énergie.

Le dernier capteur inventé en laboratoire peut fonctionner pendant une année entière avec une seule énergie, grâce à un phénomène physique connu sous le nom d’« effet tunnel ».

L’effet tunnel signifie qu’à l’aide d’un coup d’envoi de 50 millions d’électrons, ce dispositif simple et peu coûteux (composé de seulement quatre condensateurs et deux transistors) peut continuer à fonctionner pendant une longue période.

Les règles quantiques de la physique, qui s’appliquent aux plus petites échelles atomiques, signifient que les électrons peuvent se comporter à la fois comme des particules et comme des ondes, et les scientifiques ont pu exploiter ce comportement pour contrôler précisément le flux d’électrons d’un côté à l’autre d’un circuit.

Le jeu de puces des capteurs à effet tunnel quantique et les barrières à effet tunnel de Fowler-Nordheim. (Laboratoire de Chakrabartty)

« Si vous voulez arriver de l’autre côté, vous devez physiquement monter la colline », explique l’ingénieur électricien Shantanu Chakrabartty, de l’université de Washington à St.

« L’effet tunnel ressemble plus à un passage à travers la colline. »

Afin de générer du courant, les appareils doivent être capables de donner aux électrons une poussée suffisamment forte – ce qu’on appelle l’énergie de seuil, car cette poussée doit dépasser un certain seuil. Lorsque vous essayez de fabriquer des appareils qui fonctionnent avec le moins d’énergie possible, atteindre ce seuil peut s’avérer délicat.

C’est là qu’intervient la mécanique quantique : en adoptant certaines approches pour façonner la « colline » ou la barrière à franchir, il est possible de contrôler le flux d’électrons de différentes manières.

Dans ce cas, la « colline » est ce qu’on appelle une barrière de Fowler-Nordheim à effet tunnel, d’une épaisseur inférieure à 100 atomes. En construisant la barrière de cette manière, les scientifiques ont pu ralentir le flux d’électrons tout en maintenant le système (et le dispositif) stable et en marche.

« Imaginez qu’il y ait une pomme suspendue à un arbre », dit Chakrabartty. « Vous pouvez secouer un peu l’arbre, mais la pomme ne tombe pas. Vous devez lui donner assez de force pour la secouer. »

« C’est la quantité minimale d’énergie nécessaire pour faire passer un électron par-dessus une barrière. »

Dans le dispositif se trouvent deux systèmes dynamiques, dont l’un est équipé d’un transducteur (convertisseur d’énergie). L’équipe a dû travailler à reculons pour façonner sa colline ou sa barrière, en mesurant d’abord le mouvement des électrons, puis en affinant le dispositif de Fowler-Nordheim en conséquence.

Les chercheurs ont fini par mettre au point un dispositif qui utilise l’interaction entre les deux systèmes internes pour détecter et enregistrer des données sans aucune puissance supplémentaire. Un tel dispositif pourrait être utilisé pour surveiller le glucose dans le sang, par exemple, ou pour mesurer la température pour le transport de vaccins – les piles ne sont pas nécessaires.

Dans ce cas, le transducteur utilisé était un accéléromètre piézoélectrique, qui détectait et était alimenté par le mouvement ambiant, mais les principes de base de ce système de longue durée et à haut rendement peuvent également être appliqués à d’autres types de récolte d’énergie.

« Pour l’instant, la plate-forme est générique », explique M. Chakrabartty. « Cela dépend juste de ce que vous couplez à l’appareil. Tant que vous avez un transducteur qui peut générer un signal électrique, il peut auto-alimenter notre enregistreur de données. »

Ces recherches ont été publiées dans Nature Communications.

Lire aussi : Un nouveau paradoxe quantique remet en question les fondements de la réalité observée

Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche