Il rumore è una caratteristica fondamentale di qualsiasi misura elettrica che calcola fluttuazioni di segnale casuali e correlate. Sebbene il rumore sia generalmente indesiderabile, il rumore può essere utilizzato per sondare gli effetti quantistici e le quantità termodinamiche. Scrivendo in Natura , Shein Lumbroso e collaboratori ora segnalano un nuovo tipo di rumore elettronico scoperto essere distinto da tutte le altre osservazioni precedenti. Comprendere tale rumore può essere essenziale per progettare un'elettronica efficiente su nanoscala.

Più di un secolo fa, nel 1918, Il fisico tedesco Walter Schottky ha pubblicato un articolo che descrive le cause e le manifestazioni del rumore nelle misurazioni elettriche. Nella pubblicazione, Schottky dimostrò che una corrente elettrica prodotta da una tensione applicata era rumorosa, anche a temperatura zero assoluto, quando tutti i movimenti casuali indotti dal calore si erano fermati. Il rumore era una diretta conseguenza della carica elettrica quantizzata che arrivava in unità discrete. Il rumore è stato chiamato "rumore di sparo, ' come risulta dalla granularità del flusso di carica.

Nei sistemi in equilibrio termico, il rumore con proprietà nettamente diverse dal rumore di sparo entrava in gioco a temperature diverse da zero noto come rumore Johnson-Nyquist. Il rumore di sparo è ora uno strumento chiave per caratterizzare i conduttori elettrici su scala nanometrica, poiché contiene informazioni sulle proprietà di trasporto quantistico che non possono essere rivelate tramite semplici misurazioni della corrente elettrica.

Nello studio, gli autori hanno studiato giunzioni composte da singoli atomi o molecole sospese tra una coppia di elettrodi d'oro. Gli elettrodi sono stati fabbricati rompendo un sottile filo d'oro in due parti e riportandoli delicatamente a contatto. In questo processo, molecole di idrogeno sono state evaporate sul dispositivo, nota come giunzione a rottura controllabile meccanicamente, per catturare singoli atomi o molecole tra le punte degli elettrodi e stabilire un contatto elettrico.

Un canale di trasporto meccanico a singolo quantistico costituiva le giunzioni risultanti in cui gli elettroni potevano essere trasmessi da un elettrodo all'altro. La probabilità di trasferimento di elettroni potrebbe essere regolata variando l'apertura del canale. È stata quindi fornita una configurazione del banco di prova ideale per esplorare le proprietà del contributo del rumore finora trascurate. Quando è stata applicata una differenza di temperatura tra i due elettrodi, gli autori hanno osservato un forte aumento del rumore elettronico rispetto ad elettrodi alla stessa temperatura. Il nuovo rumore, chiamato 'rumore delta-T, ' in scala con il quadrato della differenza di temperatura, esibendo una dipendenza simile dalla conduttanza elettrica come il rumore di sparo.

I risultati dello studio sono stati spiegati tramite la teoria quantistica del trasporto di carica nota come teoria di Landauer, sviluppato negli ultimi decenni. La teoria includeva sia il rumore da sparo che il rumore termico per test intensivi su scala atomica e molecolare. La teoria descriveva accuratamente molte osservazioni sperimentali quando si lavorava interamente in equilibrio termico o quando si applicavano piccole tensioni.

A un esame più attento della teoria, gli autori hanno osservato che l'inclusione di una componente di rumore si verificava solo quando una differenza di temperatura veniva applicata esclusivamente attraverso una giunzione, come osservato sperimentalmente con il rumore delta-T. In assenza di tensione applicata, una corrente elettrica può sorgere a causa di una differenza di temperatura attraverso un fenomeno chiamato effetto Seebeck. Secondo lo studio, il rumore delta-T nasce dalla discretezza dei portatori di carica che mediano il trasporto di calore.

Sebbene la teoria di Landauer sia ampiamente utilizzata, sorprendentemente, Il rumore delta-T non è stato precedentemente osservato. Il presente lavoro ha quindi trasmesso un messaggio chiave secondo cui sono necessarie un'attenta progettazione sperimentale e un'analisi rigorosa per studiare i dettagli del trasporto quantistico. In pratica, esperimenti di trasporto quantistico che non erano completamente in equilibrio termico potrebbero mostrare un rumore fortemente potenziato, che potrebbe essere scambiato per rumore derivante da interazioni tra portatori di carica o per effetti sottili. Un rumore inaspettatamente elevato nelle misurazioni della corrente elettrica potrebbe essere dovuto a gradienti di temperatura non intenzionali nelle configurazioni sperimentali. In pratica, il lavoro degli autori può essere potenzialmente utilizzato per rilevare punti caldi indesiderati nei circuiti elettrici.

Il futuro focus sperimentale esplorerà la relazione tra rumore delta-T e rumore di sparo, con una dipendenza non lineare dalla tensione applicata. Questo fenomeno è stato recentemente osservato in esperimenti ad alta tensione nelle giunzioni atomiche. In combinazione con il rumore termico, Il rumore delta-T può essere utilizzato come sonda per le differenze di temperatura nei sistemi su scala nanometrica. Il rumore Delta-T è una sonda versatile rispetto ai sensori fisici, non limitato a un particolare intervallo di installazione, e che può essere applicato a conduttori di dimensioni variabili, compresi quelli su scala atomica. La versatilità consente al rumore delta-T di diventare uno strumento interessante per la gestione del calore, che comprende la termoelettricità, pompaggio e dissipazione del calore, importante per il risparmio energetico e la produzione di energia sostenibile. Poiché i gradienti di temperatura sono spesso prodotti involontariamente nei circuiti elettronici, per prevenire gli effetti che limitano le prestazioni del rumore delta-T, i gradienti di temperatura dovrebbero essere ridotti al minimo. La sensibilità del rumore delta-T sulle proprietà e le interazioni dei portatori di carica potrebbe diventare uno strumento prezioso nel trasporto quantistico.

© 2018 Science X Network