O laboratório de Shantanu Chakrabartty tem trabalhado para criar sensores que podem funcionar com o ma­nimo de energia. Seu laboratório teve tanto sucesso na construção de sensores menores e mais eficientes, que eles se depararam com um obsta¡culo na forma de uma lei fundamental da física.

a€s vezes, entretanto, quando vocêatinge o que parece ser um obsta¡culo impenetra¡vel, vocêapenas precisa recorrer a  física qua¢ntica e passar por ela. Isso éo que Chakrabartty e outros pesquisadores da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis fizeram.

O desenvolvimento desses sensores qua¢nticos autoalimentados do laboratório de Chakrabartty, o professor Clifford W. Murphy do Departamento de Sistemas e Engenharia Elanãtrica Preston M. Green, foi publicado online em 28 de outubro na revista Nature Communications.

O obsta¡culo que inspirou esta pesquisa éo efeito de limiar.

"Imagine que háuma maçã pendurada em uma a¡rvore", disse Chakrabartty. "Vocaª pode sacudir a a¡rvore um pouco, mas a maçã não cai. Vocaª tem que dar um puxa£o suficiente para sacudir a maçã." Esse puxa£o ésemelhante a uma energia de limiar. "a‰ a quantidade ma­nima de energia necessa¡ria para mover um elanãtron sobre uma barreira ." Se vocênão pode mover o elanãtron sobre a barreira, vocênão pode criar corrente.

Mas o fena´meno da meca¢nica qua¢ntica que ocorre naturalmente move os elanãtrons atravanãs das barreiras o tempo todo. A equipe de pesquisa aproveitou isso para construir um dispositivo com alimentação própria que, com uma pequena entrada de energia inicial, pode funcionar por conta própria por mais de um ano.

O dispositivo ésimples e barato de construir. Tudo que ele requer são quatro capacitores e dois transistores.

A partir dessas seis partes, a equipe de Chakrabartty construiu dois sistemas dina¢micos , cada um com dois capacitores e um transistor. Os capacitores mantem uma pequena carga inicial, cerca de 50 milhões de elanãtrons cada.

Eles adicionaram um transdutor a um dos sistemas e o acoplaram a  propriedade que estavam medindo. Em um aplicativo, a equipe mediu o micromovimento ambiente usando um acelera´metro piezoelanãtrico, um tipo de transdutor que transforma energia meca¢nica (como o movimento de moléculas no ar) em sinais elanãtricos .

Fa­sica qua¢ntica. Pelo menos algumas das propriedades mais incomuns daspartículas subatômicas, particularmente o tunelamento.

Imagine uma colina, disse Chakrabartty. "Se vocêquiser chegar ao outro lado, tera¡ que escalar fisicamente a colina. A construção de um taºnel qua¢ntico émais como atravessar a colina."

A beleza disso, disse ele, éque quando a colina tem uma determinada forma, vocêobtanãm propriedades dina¢micas muito exclusivas que podem durar anos.

Nesse caso, a "colina" éna verdade uma barreira chamada barreira de taºnel Fowler-Nordheim. Ele éposicionado entre a placa de um capacitor e um material semicondutor; tem menos de 100 a¡tomos de espessura.

Ao construir a barreira de uma certa maneira, Chakrabartty disse, "vocêpode controlar o fluxo de elanãtrons. Vocaª pode torna¡-lo razoavelmente lento, atéum elanãtron a cada minuto e ainda mantaª-lo confia¡vel." Nesse ritmo, o sistema dina¢mico funciona como um dispositivo de cronometragem - sem baterias - por mais de um ano.

Para medir o movimento do ambiente, um minaºsculo acelera´metro piezoelanãtrico foi conectado ao sensor. Os pesquisadores balana§aram mecanicamente o acelera´metro; seu movimento foi então transformado em um sinal elanãtrico. Esse sinal mudou o formato da barreira, que, graças a s regras da física qua¢ntica, mudou a taxa na qual os elanãtrons tunelizaram atravanãs da barreira.

Para entender o que aconteceu, o processo precisa ser lido como uma espanãcie de ma¡quina de Rube Goldberg retra³grada.

A probabilidade de que um certo número de elanãtrons atinja a barreira éuma função do tamanho da barreira. O tamanho da barreira édeterminado pela energia produzida pelo transdutor piezoelanãtrico , que por sua vez, édeterminado pela magnitude da aceleração - o quanto ele tremia.

Ao medir a tensão dos capacitores do sensor e contar quantos elanãtrons estavam faltando, Darshit Mehta, um Ph.D. estudante no laboratório de Chakrabartty e autor principal do artigo, foi capaz de determinar a energia total de aceleração.

a‰ claro que, para serem colocados em uso prático, esses dispositivos extremamente sensa­veis provavelmente estariam se movendo - em um caminha£o, monitorando a temperatura ambiente ou no gerenciamento de vacinas na cadeia de frio, por exemplo. Ou em seu sangue, monitorando a glicose.

a‰ por isso que cada dispositivo éna verdade dois sistemas, um sistema de detecção e um sistema de referaªncia. No ina­cio, os dois são quase idaªnticos, apenas o sistema de detecção foi conectado a um transdutor, enquanto o sistema de referaªncia não.

Ambos os sistemas foram projetados para que os elanãtrons entrassem em taºnel na mesma taxa, destinados a esgotar seus capacitores de forma idaªntica se não houvesse nenhuma força externa em jogo.

Como o sistema de detecção foi afetado por sinais que recebeu do transdutor, seus elanãtrons tunelaram em momentos diferentes do sistema de referaªncia. Apa³s os experimentos, a equipe de pesquisa leu a tensão nos capacitores do sistema de detecção e referaªncia. Eles usaram a diferença nas duas tensaµes para encontrar as verdadeiras medições do transdutor.

Para algumas aplicações, este resultado final ésuficiente. O pra³ximo passo para a equipe de Chakrabartty ésuperar o desafio computacional de recriar com mais precisão o que aconteceu no passado - como exatamente os elanãtrons foram afetados? Quando um elanãtron tunelizou atravanãs da barreira? Quanto tempo demorou para criar um taºnel?

Um dos objetivos do doutorado de Mehta. tese éusar vários dispositivos para reconstruir o passado. "As informações são todas armazenadas no dispositivo, são precisamos criar um processamento de sinal inteligente para resolver isso", disse Chakrabartty.

Em última análise, esses sensores são promissores para tudo, desde o monitoramento conta­nuo dos na­veis de glicose dentro do corpo humano atéo possí­vel registro da atividade neural sem o uso de baterias.

"No momento, a plataforma égenanãrica", disse Chakrabartty. "Depende apenas do que vocêacopla ao dispositivo. Contanto que vocêtenha um transdutor que pode gerar um sinal elanãtrico, ele pode autoalimentar nosso sensor-data-logger."