Elektronisk støj på grund af temperaturforskel i atomskala-kryds

Støj er et grundlæggende træk ved enhver elektrisk måling, der beregner tilfældige og korrelerede signaludsving. Selvom støj typisk er uønsket, støj kan bruges til at undersøge kvanteeffekter og termodynamiske mængder. Skriver ind Natur , Shein Lumbroso og kolleger rapporterer nu om en ny type elektronisk støj, der er opdaget at være forskellig fra alle andre tidligere observationer. Forståelse af sådan støj kan være afgørende for at designe effektiv nanoskalaelektronik.

For mere end et århundrede siden, i 1918, Den tyske fysiker Walter Schottky udgav et papir, der beskriver årsager og manifestationer af støj ved elektriske målinger. I publikationen Schottky viste, at en elektrisk strøm produceret af en påført spænding var støjende, selv ved absolut nul temperatur, når al tilfældig varmeinduceret bevægelse var stoppet. Støjen var en direkte konsekvens af kvantiseret elektrisk ladning, der ankom i diskrete enheder. Støjen blev kaldt 'skudstøj, 'som det skyldes granulariteten af ​​ladestrømmen.

I systemer, der er i termisk ligevægt, støj med klart forskellige egenskaber fra skudstøj kom i spil ved temperaturer uden for nul, kendt som Johnson-Nyquist-støj. Skudstøj er nu et vigtigt værktøj til at karakterisere nanoskala elektriske ledere, da den indeholder oplysninger om kvantetransportegenskaber, der ikke kan afsløres ved blot elektriske strømmålinger.

I undersøgelsen, forfatterne studerede kryds, der består af enkelte atomer eller molekyler suspenderet mellem et par guldelektroder. Elektroderne blev fremstillet ved at bryde en tynd guldtråd i to dele og bringe dem forsigtigt tilbage i kontakt. I denne proces, brintmolekyler blev fordampet på enheden, kendt som et mekanisk kontrollerbart knudepunkt, at fange individuelle atomer eller molekyler mellem elektrode -spidserne og etablere en elektrisk kontakt.

En enkelt-kvantemekanisk transportkanal udgjorde de resulterende kryds, hvor elektroner kunne transmitteres fra den ene elektrode til den anden. Sandsynligheden for elektronoverførsel kan justeres ved at variere kanalens åbenhed. Et ideelt testbed -setup blev således leveret til at undersøge egenskaberne ved støjbidrag, der hidtil er overset. Når der blev anvendt en temperaturforskel mellem de to elektroder, forfatterne observerede en stærk stigning i elektronisk støj sammenlignet med elektroder ved den samme temperatur. Den nye støj, betegnet 'delta-T-støj, 'skaleret med kvadratet af temperaturforskellen, udviser lignende afhængighed af elektrisk konduktans som skudstøj.

Resultaterne af undersøgelsen blev forklaret via kvanteteorien om ladningstransport kendt som Landauer -teorien, udviklet i de sidste årtier. Teorien omfattede både skudstøj og termisk støj til intensiv testning i atom- og molekylskalaen. Teorien beskrev præcist mange eksperimentelle observationer, når man udelukkende arbejder i termisk ligevægt eller ved anvendelse af små spændinger.

Ved nærmere undersøgelse af teorien, forfatterne observerede, at inklusion af en støjkomponent kun fandt sted, når en temperaturforskel udelukkende blev påført på tværs af et kryds, som eksperimentelt observeret med delta-T-støj. I mangel af en påført spænding, en elektrisk strøm kan opstå på grund af en temperaturforskel via et fænomen kaldet Seebeck -effekten. Ifølge undersøgelsen, delta-T-støj opstod fra diskrettheden af ​​ladningsbærerne, der medierede varmetransporten.

Selvom Landauer -teorien er meget udbredt, overraskende, delta-T-støj blev ikke tidligere observeret. Det nuværende arbejde formidlede derfor et centralt budskab om, at omhyggeligt eksperimentelt design og grundig analyse er påkrævet for at studere detaljerne i kvantetransport. I praksis, kvantetransportforsøg, der ikke var helt i termisk ligevægt, kunne vise stærkt forstærket støj, som kan forveksles med støj fra interaktioner mellem ladningsbærere eller på grund af subtile effekter. Uventet høj støj i elektriske strømmålinger kan skyldes utilsigtede temperaturgradienter i eksperimentelle opsætninger. I praksis, forfatterens arbejde kan potentielt bruges til at opdage uønskede hot spots i elektriske kredsløb.

Fremtidens eksperimentelle fokus vil undersøge forholdet mellem delta-T-støj og skudstøj, med en ikke -lineær afhængighed af påført spænding. Dette fænomen blev for nylig observeret i højspændingsforsøg ved atomkryds. I kombination med termisk støj, delta-T-støj kan bruges som sonde til temperaturforskelle i nanoskala systemer. Delta-T-støj er en alsidig sonde sammenlignet med fysiske sensorer, ikke begrænset til et bestemt opsætningsinterval, og der kan anvendes på ledere af varierende størrelser, herunder dem i atomskala. Alsidigheden gør det muligt for delta-T-støj at blive et attraktivt værktøj til varmestyring, som inkluderer termoelektricitet, varmepumpning og varmeafledning, vigtigt for energibesparelser og bæredygtig energiproduktion. Da temperaturgradienter ofte utilsigtet produceres i elektroniske kredsløb, at forhindre præstationsbegrænsende virkninger af delta-T-støj, temperaturgradienterne bør minimeres. Følsomheden af ​​delta-T-støj på ladningsbærernes egenskaber og interaktioner kan blive et værdifuldt redskab i kvantetransport.

© 2018 Science X Network