Ruis is een fundamenteel kenmerk van elke elektrische meting die willekeurige en gecorreleerde signaalfluctuaties berekent. Hoewel lawaai doorgaans ongewenst is, ruis kan worden gebruikt om kwantumeffecten en thermodynamische grootheden te onderzoeken. Inschrijven Natuur , Shein Lumbroso en collega's rapporteren nu een nieuw type elektronische ruis waarvan is ontdekt dat deze verschilt van alle andere eerdere waarnemingen. Het begrijpen van dergelijke ruis kan essentieel zijn om efficiënte elektronica op nanoschaal te ontwerpen.

Meer dan een eeuw geleden, in 1918, De Duitse natuurkundige Walter Schottky publiceerde een paper waarin de oorzaken en manifestaties van ruis in elektrische metingen worden beschreven. In de publicatie, Schottky toonde aan dat een elektrische stroom geproduceerd door een aangelegde spanning luidruchtig was, zelfs bij het absolute nulpunt, toen alle willekeurige warmte-geïnduceerde beweging was gestopt. Het geluid was een direct gevolg van gekwantiseerde elektrische lading die in discrete eenheden arriveerde. Het geluid werd 'schotgeluid' genoemd, ' zoals het voortvloeide uit de granulariteit van de ladingsstroom.

In systemen die in thermisch evenwicht zijn, ruis met duidelijk andere eigenschappen dan schotruis kwam in het spel bij temperaturen onder nul, bekend als Johnson-Nyquist-ruis. Shot noise is nu een belangrijk hulpmiddel om elektrische geleiders op nanoschaal te karakteriseren, omdat het informatie bevat over kwantumtransporteigenschappen die niet kunnen worden onthuld door louter elektrische stroommetingen.

In de studie, de auteurs bestudeerden knooppunten bestaande uit enkele atomen of moleculen die tussen een paar gouden elektroden waren opgehangen. De elektroden werden vervaardigd door een dunne gouden draad in twee delen te breken en ze voorzichtig weer in contact te brengen. In dit proces, waterstofmoleculen werden verdampt op het apparaat, bekend als een mechanisch regelbare breekjunctie, om individuele atomen of moleculen tussen de elektrodepunten te vangen en een elektrisch contact tot stand te brengen.

Een enkel-quantum mechanisch transportkanaal vormde de resulterende knooppunten waarin elektronen van de ene elektrode naar de andere konden worden overgedragen. De waarschijnlijkheid van elektronenoverdracht kan worden aangepast door de openheid van het kanaal te variëren. Zo werd een ideale proefopstelling verschaft om de tot dusver over het hoofd geziene eigenschappen van de geluidsbijdrage te onderzoeken. Wanneer een temperatuurverschil tussen de twee elektroden werd aangebracht, de auteurs constateerden een sterke toename van elektronische ruis in vergelijking met elektroden bij dezelfde temperatuur. Het nieuwe geluid, 'delta-T-ruis' genoemd, ' geschaald met het kwadraat van het temperatuurverschil, vertonen een vergelijkbare afhankelijkheid van elektrische geleiding als schotruis.

De bevindingen van de studie werden verklaard via de kwantumtheorie van ladingstransport die bekend staat als de Landauer-theorie, ontwikkeld in de afgelopen decennia. De theorie omvatte zowel schotgeluid als thermische ruis voor intensief testen op atomaire en moleculaire schaal. De theorie beschreef nauwkeurig veel experimentele waarnemingen bij het werken in volledig thermisch evenwicht of bij het toepassen van kleine spanningen.

Bij nadere beschouwing van de theorie, de auteurs merkten op dat het opnemen van een ruiscomponent alleen optrad wanneer een temperatuurverschil uitsluitend over een knooppunt werd toegepast, zoals experimenteel waargenomen met delta-T-ruis. Bij afwezigheid van een aangelegde spanning, een elektrische stroom kan ontstaan ​​als gevolg van een temperatuurverschil via een fenomeen dat het Seebeck-effect wordt genoemd. Volgens de studie, de delta-T-ruis kwam voort uit de discretie van de ladingsdragers die het warmtetransport bemiddelen.

Hoewel de Landauer-theorie veel wordt gebruikt, verrassend genoeg, delta-T-ruis werd niet eerder waargenomen. Het huidige werk bracht daarom een ​​belangrijke boodschap over dat een zorgvuldig experimenteel ontwerp en rigoureuze analyse vereist zijn om de details van kwantumtransport te bestuderen. In praktijk, kwantumtransportexperimenten die niet volledig in thermisch evenwicht waren, kunnen sterk verbeterde ruis vertonen, die kunnen worden aangezien voor ruis die voortkomt uit interacties tussen ladingsdragers of door subtiele effecten. Onverwacht hoge ruis in elektrische stroommetingen kan te wijten zijn aan onbedoelde temperatuurgradiënten in experimentele opstellingen. In praktijk, het werk van de auteurs kan mogelijk worden gebruikt om ongewenste hotspots in elektrische circuits te detecteren.

Toekomstige experimentele focus zal de relatie tussen delta-T-ruis en schotruis onderzoeken, met een niet-lineaire afhankelijkheid van aangelegde spanning. Dit fenomeen werd onlangs waargenomen in hoogspanningsexperimenten op atomaire knooppunten. In combinatie met thermische ruis, delta-T-ruis kan worden gebruikt als een sonde voor temperatuurverschillen in systemen op nanoschaal. Delta-T-ruis is een veelzijdige sonde in vergelijking met fysieke sensoren, niet beperkt tot een bepaald instelbereik, en dat kan worden toegepast op geleiders van variabele afmetingen, inclusief die op atomaire schaal. Door de veelzijdigheid kan delta-T-ruis een aantrekkelijk hulpmiddel worden voor warmtebeheer, waaronder thermo-elektriciteit, warmtepompen en warmteafvoer, belangrijk voor energiebesparing en duurzame energieproductie. Aangezien temperatuurgradiënten vaak onbedoeld worden geproduceerd in elektronische schakelingen, om prestatiebeperkende effecten van delta-T-ruis te voorkomen, de temperatuurgradiënten moeten worden geminimaliseerd. De gevoeligheid van delta-T-ruis op de eigenschappen en interacties van ladingsdragers zou een waardevol hulpmiddel kunnen worden in kwantumtransport.

© 2018 Wetenschap X Netwerk