Trois types de bruit électronique. Installation expérimentale où des atomes ou des molécules uniques sont suspendus entre les pointes de deux électrodes. a) À une température non nulle (rouge), des électrons circulent entre les deux électrodes (flèches). Le signal électrique associé contient du bruit thermique, qui varie linéairement avec la conductance électrique (indiquée en unités de conductance quantique). b) Si une tension est appliquée à l'appareil, les électrons circulent d'une électrode à l'autre et peuvent être rétrodiffusés à partir de l'atome ou de la molécule. Le signal résultant contient un bruit de « grenaille » qui est présent même lorsque l'appareil est au zéro absolu de température (bleu). Le bruit de grenaille a une dépendance caractéristique (non monotone) de la conductance. c) Si un gradient de température est appliqué à l'appareil (indiqué par des températures passant du bleu au violet et au rouge), les électrons s'écoulent des deux électrodes et peuvent être rétrodiffusés. L'étude a montré que le signal électrique résultant contenait un type de bruit non signalé auparavant, nommé delta-bruit. Ce bruit dépend d'une conductance similaire au bruit de grenaille. Crédit :Nature News and Views, doi :https://www.nature.com/articles/d41586-018-06932-x
Le bruit est une caractéristique fondamentale de toute mesure électrique qui calcule les fluctuations de signal aléatoires et corrélées. Bien que le bruit soit généralement indésirable, le bruit peut être utilisé pour sonder les effets quantiques et les quantités thermodynamiques. Écrire dans La nature , Shein Lumbroso et ses collègues rapportent maintenant un nouveau type de bruit électronique découvert comme distinct de toutes les autres observations précédentes. Comprendre un tel bruit peut être essentiel pour concevoir une électronique nanométrique efficace.
Il y a plus d'un siècle, en 1918, Le physicien allemand Walter Schottky a publié un article décrivant les causes et les manifestations du bruit dans les mesures électriques. Dans la parution, Schottky a montré qu'un courant électrique produit par une tension appliquée était bruyant, même au zéro absolu de température, lorsque tout mouvement induit par la chaleur aléatoire s'était arrêté. Le bruit était une conséquence directe de la charge électrique quantifiée qui arrivait en unités discrètes. Le bruit a été appelé « bruit de tir, ' tel qu'il résulte de la granularité du flux de charge.
Dans les systèmes en équilibre thermique, le bruit avec des propriétés nettement différentes du bruit de grenaille est entré en jeu à des températures non nulles connues sous le nom de bruit de Johnson-Nyquist. Le bruit de grenaille est désormais un outil clé pour caractériser les conducteurs électriques à l'échelle nanométrique, car il contient des informations sur les propriétés de transport quantique qui ne peuvent pas être révélées par de simples mesures de courant électrique.
Dans l'étude, les auteurs ont étudié des jonctions composées d'atomes ou de molécules uniques suspendus entre une paire d'électrodes en or. Les électrodes ont été fabriquées en brisant un mince fil d'or en deux parties et en les ramenant doucement en contact. Dans ce processus, les molécules d'hydrogène ont été évaporées sur l'appareil, connu sous le nom de jonction à coupure à commande mécanique, pour capturer des atomes ou des molécules individuels entre les pointes des électrodes et établir un contact électrique.
Montage expérimental et contributions au bruit. a) Schéma de la configuration de la jonction de rupture et de la jonction or-hydrogène (Au/H2). b) Illustration du bruit de grenaille standard, bruit thermique et delta-T définis ci-dessus, générés dans les jonctions à l'échelle atomique, e est la charge électronique. Crédit: La nature , doi:10.1038/s41586-018-0592-2.
Un canal de transport mécanique quantique unique constituait les jonctions résultantes dans lesquelles les électrons pouvaient être transmis d'une électrode à l'autre. La probabilité de transfert d'électrons pourrait être ajustée en faisant varier l'ouverture du canal. Une configuration de banc d'essai idéale a ainsi été fournie pour explorer les propriétés de la contribution du bruit jusqu'ici négligées. Lorsqu'une différence de température a été appliquée entre les deux électrodes, les auteurs ont observé une forte augmentation du bruit électronique par rapport aux électrodes à la même température. Le nouveau bruit, appelé "bruit delta-T, ' mis à l'échelle avec le carré de la différence de température, présentant une dépendance similaire à la conductance électrique comme le bruit de grenaille.
Les résultats de l'étude ont été expliqués via la théorie quantique du transport de charge connue sous le nom de théorie de Landauer, développé au cours des dernières décennies. La théorie comprenait à la fois le bruit de grenaille et le bruit thermique pour des tests intensifs à l'échelle atomique et moléculaire. La théorie décrivait avec précision de nombreuses observations expérimentales lorsque l'on travaillait entièrement en équilibre thermique ou lors de l'application de petites tensions.
En regardant de plus près la théorie, les auteurs ont observé que l'inclusion d'une composante de bruit ne se produisait que lorsqu'une différence de température était appliquée uniquement à travers une jonction, comme observé expérimentalement avec le bruit delta-T. En l'absence de tension appliquée, un courant électrique peut apparaître en raison d'une différence de température via un phénomène appelé effet Seebeck. Selon l'étude, le bruit delta-T provenait de la discrétion des porteurs de charge médiant le transport de chaleur.
Bien que la théorie de Landauer soit largement utilisée, étonnamment, Le bruit delta-T n'avait pas été observé auparavant. Le présent travail a donc transmis un message clé selon lequel une conception expérimentale minutieuse et une analyse rigoureuse sont nécessaires pour étudier les détails du transport quantique. En pratique, des expériences de transport quantique qui n'étaient pas entièrement en équilibre thermique pourraient montrer un bruit fortement accru, qui pourrait être confondu avec du bruit résultant d'interactions entre porteurs de charge ou dû à des effets subtils. Un bruit étonnamment élevé dans les mesures de courant électrique pourrait être dû à des gradients de température involontaires dans les configurations expérimentales. En pratique, les travaux des auteurs peuvent potentiellement être utilisés pour détecter des points chauds indésirables dans les circuits électriques.
Le futur objectif expérimental explorera la relation entre le bruit delta-T et le bruit de grenaille, avec une dépendance non linéaire de la tension appliquée. Ce phénomène a été récemment observé dans des expériences à haute tension aux jonctions atomiques. En combinaison avec le bruit thermique, Le bruit delta-T peut être utilisé comme sonde pour les différences de température dans les systèmes nanométriques. Le bruit Delta-T est une sonde polyvalente par rapport aux capteurs physiques, pas limité à une plage de configuration particulière, et pouvant s'appliquer à des conducteurs de tailles variables, y compris ceux à l'échelle atomique. La polyvalence permet au bruit delta-T de devenir un outil attrayant pour la gestion de la chaleur, qui comprend la thermoélectricité, pompe à chaleur et dissipation thermique, important pour les économies d'énergie et la production d'énergie durable. Étant donné que les gradients de température sont souvent produits involontairement dans les circuits électroniques, pour éviter les effets limitant les performances du bruit delta-T, les gradients de température doivent être minimisés. La sensibilité du bruit delta-T sur les propriétés et les interactions des porteurs de charge pourrait devenir un outil précieux dans le transport quantique.
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