Brus är en grundläggande egenskap för alla elektriska mätningar som beräknar slumpmässiga och korrelerade signalfluktuationer. Även om buller vanligtvis är oönskat, brus kan användas för att undersöka kvanteffekter och termodynamiska storheter. Skriver in Natur , Shein Lumbroso och medarbetare rapporterar nu om en ny typ av elektroniskt brus som upptäckts vara skilt från alla andra tidigare observationer. Att förstå sådant brus kan vara avgörande för att designa effektiv elektronik i nanoskala.

För mer än ett sekel sedan, år 1918, Den tyske fysikern Walter Schottky publicerade en artikel som beskrev orsaker och manifestationer av brus i elektriska mätningar. I publikationen, Schottky visade att en elektrisk ström producerad av en pålagd spänning var bullrig, även vid absolut noll temperatur, när all slumpmässig värmeinducerad rörelse hade upphört. Bullret var en direkt följd av kvantifierad elektrisk laddning som anlände i diskreta enheter. Bullret kallades "skottljud, ' eftersom det resulterade från granulariteten i laddningsflödet.

I system som är i termisk jämvikt, buller med distinkt olika egenskaper från skottljud kom till spel vid temperaturer som inte var noll, känt som Johnson-Nyquist-brus. Skottbrus är nu ett nyckelverktyg för att karakterisera elektriska ledare i nanoskala, eftersom den innehåller information om kvanttransportegenskaper som inte kan avslöjas genom enbart elektriska strömmätningar.

I studien, författarna studerade korsningar som består av enstaka atomer eller molekyler suspenderade mellan ett par guldelektroder. Elektroderna tillverkades genom att bryta en tunn guldtråd i två delar och föra dem försiktigt tillbaka i kontakt. I denna process, vätemolekyler avdunstades på enheten, känd som en mekaniskt styrbar brytpunkt, för att fånga individuella atomer eller molekyler mellan elektrodspetsarna och upprätta en elektrisk kontakt.

En enkelkvantmekanisk transportkanal utgjorde de resulterande korsningarna där elektroner kunde överföras från en elektrod till den andra. Sannolikheten för elektronöverföring kan justeras genom att variera kanalens öppenhet. En idealisk testbäddsuppställning gavs således för att utforska egenskaperna hos bullerbidrag som hittills förbisetts. När en temperaturskillnad applicerades mellan de två elektroderna, författarna observerade en kraftig ökning av elektroniskt brus jämfört med elektroder vid samma temperatur. Det nya bruset, benämnt 'delta-T-brus, ' skalad med kvadraten på temperaturskillnaden, uppvisar liknande beroende av elektrisk konduktans som skottbrus.

Resultaten av studien förklarades via kvantteorin om laddningstransport känd som Landauer-teorin, utvecklats under de senaste decennierna. Teorin inkluderade både skottljud och termiskt brus för intensiva tester i atomär och molekylär skala. Teorin beskrev exakt många experimentella observationer när man arbetar helt i termisk jämvikt eller när man applicerar små spänningar.

Vid närmare granskning av teorin, författarna observerade att inkludering av en bruskomponent endast inträffade när en temperaturskillnad enbart applicerades över en korsning som experimentellt observerats med delta-T-brus. I frånvaro av pålagd spänning, en elektrisk ström kan uppstå på grund av en temperaturskillnad via ett fenomen som kallas Seebeckeffekten. Enligt studien, delta-T-bruset uppstod från diskretiteten hos de laddningsbärare som förmedlade värmetransporten.

Även om Landauer-teorin används flitigt, förvånande, delta-T-brus har inte observerats tidigare. Det aktuella arbetet förmedlade därför ett nyckelbudskap att noggrann experimentell design och rigorös analys krävs för att studera detaljerna i kvanttransport. I praktiken, kvanttransportexperiment som inte var helt i termisk jämvikt kunde visa starkt förstärkt brus, som kan misstas för brus som uppstår från interaktioner mellan laddningsbärare eller på grund av subtila effekter. Oväntat högt brus i elektriska strömmätningar kan bero på oavsiktliga temperaturgradienter i experimentella uppställningar. I praktiken, författarnas arbete kan potentiellt användas för att upptäcka oönskade hot spots i elektriska kretsar.

Framtida experimentellt fokus kommer att utforska sambandet mellan delta-T-brus och skottljud, med ett olinjärt beroende av pålagd spänning. Detta fenomen observerades nyligen i högspänningsexperiment vid atomära korsningar. I kombination med termiskt brus, delta-T brus kan användas som en sond för temperaturskillnader i nanoskala system. Delta-T-brus är en mångsidig sond jämfört med fysiska sensorer, inte begränsat till ett visst inställningsområde, och som kan appliceras på ledare av varierande storlekar, inklusive de på atomär skala. Mångsidigheten gör att delta-T-brus kan bli ett attraktivt verktyg för värmehantering, som inkluderar termoelektricitet, värmepumpning och värmeavledning, viktigt för energibesparing och hållbar energiproduktion. Eftersom temperaturgradienter ofta oavsiktligt produceras i elektroniska kretsar, för att förhindra prestandabegränsande effekter av delta-T-brus, temperaturgradienterna bör minimeras. Känsligheten hos delta-T-brus på egenskaperna och interaktionerna hos laddningsbärare kan bli ett värdefullt verktyg i kvanttransport.

© 2018 Science X Network