Des capteurs quantiques qui s’auto-alimentent pendant plus d’un an !

capteur quantique auto-alimenté
Micrographie du chipset du capteur à effet tunnel quantique et des barrières de tunnel Fowler-Nordheim correspondantes. | Crédits : Chakrabartty Lab

Des chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington sont parvenus à mettre au point des capteurs capables de s’autoalimenter pendant des mois, grâce à une loi fondamentale de la physique quantique.

Alors que Shantanu Chakrabartty et son équipe travaillaient à la miniaturisation de capteurs économes en énergie, ils se sont heurtés à un obstacle : l’effet de seuil. En effet, en physique, le fonctionnement des appareils est basé sur la linéarité de la relation qui existe entre les grandeurs mises en jeu et mesurées. Mais cette linéarité n’est plus valable à partir d’un certain point (le seuil).

Pour expliquer le phénomène, Chakrabartty propose l’analogie suivante : « Imaginez qu’il y ait une pomme suspendue à un arbre. Vous pouvez secouer un peu l’arbre, mais la pomme ne tombe pas. Vous devez le tirer suffisamment pour secouer la pomme. L’effort qui sera nécessaire pour cela s’apparente à une énergie de seuil ». Dans le cas du capteur, ce seuil représente la quantité minimale d’énergie nécessaire pour déplacer un électron au-dessus d’une barrière de potentiel. Si cette énergie n’est pas atteinte, aucun courant électrique n’est créé. Pour contourner cette limite, les chercheurs se sont inspirés de l’effet tunnel, un phénomène bien connu de la physique quantique.

Contrôler et ralentir le flux d’électrons

L’effet tunnel se manifeste lorsqu’un objet quantique parvient à franchir une barrière de potentiel alors qu’il n’a pas l’énergie nécessaire pour le faire. Dans le cas d’un électron par exemple, si cette barrière est assez fine, il peut se trouver à la fois d’un côté puis de l’autre, du fait de la probabilité de présence qui lui est associée en tant qu’onde. Et plus la barrière est fine, plus la probabilité qu’il la traverse augmente. « Imaginez une colline. Si vous voulez vous rendre de l’autre côté, vous devez physiquement gravir la colline. Le tunnel quantique, c’est plus comme traverser la colline », explique Chakrabartty.

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Plus précisément, la « colline » à gravir ici est une barrière appelée barrière de tunnel Fowler-Nordheim ; l’effet Fowler-Nordheim se produit lorsqu’on applique un champ électrique sur un métal : il est alors possible d’extraire des électrons de ce métal et de générer un courant tunnel. Dans le capteur conçu par l’équipe, la barrière à franchir — de moins de 100 atomes d’épaisseur — se trouve entre la plaque d’un condensateur et un matériau semi-conducteur. Chakrabartty explique qu’en construisant la barrière d’une certaine manière, il est possible de contrôler le flux d’électrons, de le ralentir jusqu’à la fréquence d’un électron par minute tout en le gardant fiable. Ainsi, à ce rythme, le système dynamique fonctionne comme un appareil de chronométrage pendant plus d’un an… et sans aucune pile !

Le capteur qu’ils ont mis au point est relativement simple et peu coûteux à construire : il n’a besoin que de quatre condensateurs — de charge initiale d’environ 50 millions d’électrons chacun — et de deux transistors pour fonctionner ; ces éléments sont répartis en deux systèmes dynamiques, comportant chacun deux condensateurs et un transistor.

Pour mesurer le mouvement ambiant, l’équipe a connecté un minuscule accéléromètre piézoélectrique au capteur — il s’agit d’un type de transducteur qui transforme l’énergie mécanique (comme le mouvement des molécules dans l’air) en signaux électriques. Les chercheurs ont secoué mécaniquement l’accéléromètre ; son mouvement s’est alors transformé en un signal électrique. Celui-ci a modifié la forme de la barrière, qui, grâce aux règles de la physique quantique, a changé la vitesse à laquelle les électrons ont tunnelisé à travers la barrière.

test capteur auto-alimenté
Détection autoalimentée et enregistrement des données de l’accélération mécanique. a) Configuration expérimentale montrant un transducteur piézoélectrique (PVDF) connecté au chipset capteur-data-logger. b) Réponse de l’enregistreur lors de l’application d’une accélération de 58,6 mg (0,57 m/s2) à 72 Hz pendant 100 secondes. c) Réponses de l’enregistreur à différents moments de lecture pour une plage de fréquences d’entrée. d) L’enregistreur a été mis hors tension dans la zone ombrée. Pendant cette période, la table de vibration a été activée, ce qui a été enregistré, comme en témoigne la valeur de l’enregistreur lorsque l’alimentation électrique a été activée. Crédits : S. Chakrabartty et al.

Comme expliqué plus haut, la probabilité qu’un certain nombre d’électrons traversent la barrière est fonction de la taille de la barrière. Celle-ci est déterminée par l’énergie produite par le transducteur piézoélectrique, qui à son tour, est déterminée par l’ampleur de l’accélération (la façon dont le capteur a été secoué). En mesurant la tension des condensateurs du capteur et en comptant le nombre d’électrons manquants, Darshit Mehta, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Chakrabartty et auteur principal de l’article, a pu déterminer l’énergie d’accélération totale.

En pratique, ce type de dispositif particulièrement sensible pourrait être amené à se déplacer — dans un véhicule réfrigéré par exemple, afin d’en contrôler la température — c’est pourquoi il se compose de deux systèmes : un système de détection et un système de référence. Seul le système de détection est connecté à un transducteur. Les deux systèmes sont conçus de manière à ce que les électrons tunnelisent à la même vitesse et de manière à ce qu’ils épuisent leurs condensateurs de la même façon s’il n’y avait pas eu de forces extérieures en jeu.

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Comme le système de détection était ici affecté par les signaux qu’il recevait du transducteur, ses électrons ont tunnelisé à des moments différents de ceux du système de référence. À l’issue des expériences, l’équipe a lu la tension dans les condensateurs de chacun des systèmes ; la différence entre les deux tensions leur a permis de déterminer les vraies mesures du transducteur.

Un intérêt certain pour les applications biomédicales

Pour les systèmes de détection tels que les dispositifs IoT ou les implants biomédicaux, qui fonctionnent le plus souvent dans des environnements à ressources limitées, l’utilisation d’une batterie s’avère peu pratique. En effet, celle-ci se heurte à des problèmes de biocompatibilité et des contraintes de taille, mais implique aussi des défis techniques liés au remplacement de la batterie. Les capteurs autoalimentés permettent de se passer de batteries et donc, d’éliminer tous ces inconvénients ; ils récoltent leur énergie opérationnelle directement à partir de sources ambiantes, telles que la lumière ou les vibrations mécaniques.

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Pour ce faire, ces capteurs mettent en tampon l’énergie ambiante à l’aide de techniques standards de conditionnement de puissance avant d’activer leur fonction de base (calcul, détection, télémétrie). Toutefois, lorsqu’il s’agit de capter et de calculer une fonction simple, une alternative intéressante — car ultra économe en énergie – pourrait être de combiner la physique opérationnelle de la transduction de signaux, la rectification et le stockage des données non volatiles (les données conservées en l’absence d’alimentation électrique). Les chercheurs ont donc imaginé cette nouvelle méthode pour concevoir un dispositif d’enregistrement de données de capteur ultra-économe en énergie, où l’énergie du signal de détection est utilisée pour moduler les trajectoires d’état d’un système dynamique synchronisé.

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Ces capteurs autoalimentés sont réellement prometteurs, notamment pour le domaine médical. Ils pourraient par exemple être exploités dans la surveillance continue des niveaux de glucose sanguin, ou l’enregistrement de l’activité neuronale. Tout est envisageable : « À l’heure actuelle, la plate-forme est générique. Cela dépend simplement de ce que vous associez à l’appareil. Tant que vous disposez d’un transducteur capable de générer un signal électrique, il peut autoalimenter notre capteur-enregistreur de données », souligne Chakrabartty.

Si ces premiers résultats sont déjà suffisants pour certaines applications, l’équipe souhaite cependant aller plus loin et expliciter plus précisément le phénomène, à savoir comment les électrons ont été affectés, combien de temps a été nécessaire à la formation du tunnel et à quel moment un électron a traversé la barrière ?

Source : Nature Communications, S. Chakrabartty et al.

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