آزمایش‌ها از نوع جدیدی از نوفه های الکترونی پرده برداشته‌اند که با گرادیان‌های دمایی ایجاد می‌شوند. یافته‌های این پژوهش کاربردهای عملی داشته و می‌تواند به آشکارسازی هات‌اسپات‌های ناخواسته در مدارهای الکتریکی کمک کند.

نوفه، بعنوان افت‌وخیزهای اتفاقی و ناهمبسته از سیگنال‌ها، یکی از ویژگی‌های اساسی هر اندازه‌گیری الکتریکی است. اگرچه نوفه ها معمولاً نامطلوب درنظر گرفته می‌شوند اما می‌توان از آن‌ها در پویش اثرات کوانتومی و کمیت‌های ترمودینامیکی استفاده کرد. شین لمبروز (Shein Lumbroso ) و همکارانش [1] گزارش کشفی را در مجله‌ی نیچر به چاپ رسانده‌اند که از نوعی نوفه الکترونی خبر می‌دهد که با تمامی انواع نوفه های گزارش‌شده‌ی پیشین تفاوت دارد. درک و فهم چنان نوفه هایی می‌تواند در طراحی قطعات الکترونی نانومقیاسِ کارآمد گامی اساسی باشد.

یک قرن پیش، والتر شاتکی (Walter Schottky)، فیزیک‌دانی آلمانی مقاله‌ای منتشر ساخت که علل و علائم نوفه در اندازه‌گیری‌های الکتریکی را توصیف کرده بود[2]. شاتکی نشان داد که یک مدار الکتریکی که با یک ولتاژ اعمالی ایجاد می‌شود، حتی در صفر کلوین (وقتی تمامی حرکات گرماالقایی متوقف می‌شود) نوفهآمیز است. این نوفه نتیجه‌ی مستقیم این حقیقت است که بار الکتریکی کوانتیزه است، یعنی در واحدهای گسسته ظاهر می‌شود. چون این نوفه ها از دانه‌دانه بودن شارش بار نتیجه می‌شوند آن‌ها را پواسونی (Shot noise) نام گذاشته‌اند.

پیش‌تر دز زمان پژوهش شاتکی دریافته شده بود که در سیستم هایی که در تعادل حرارتی قرار دارند، نوفه هایی با ویژگی‌هایی متفاوت از نوفه های پواسونی دیده می‌شوند (در دماهای صفر کلوین) که به نوفه های حرارتی (جانسون-نیکوئیست) معروف‌اند. امروزه نوفه پواسونی ابزاری اساسی برای مشخصه‌یابی رساناهای الکتریکی نانومقیاس بشمار می‌رود چون حاوی اطلاعاتی از ویژگی‌های انتقال کوانتومی است که نمی‌توان آن‌ها را صرفاً از اندازه‌گیری‌های جریان-مدار [3,4] بدست آورد.

شین لمبرسو و همکارانش اتصالاتی متشکل از تک‌اتم‌ها یا مولکول‌های معلق مابین یک جفت الکترود طلا را مورد مطالعه قرار داده‌اند. این محققان الکترودها را با شکستن سیم‌های طلایی نازک به دو بخش و اتصال دوباره‌ی آن‌ها ساخته‌اند. آن‌ها مولکول‌های هیدروژن را بر روی این قطعه، تبخیر کرده‌اند که به اتصال شکستِ قابل کنترل مکانیکی معروفند. بنابراین اتم‌ها یا مولکول‌های انفرادیِ هیدروژن بین نوک الکترودها قاپیده شده و یک اتصال الکتریکی ایجاد می‌شود.

اتصال ایجاد شده، از یک کانال انتقال کوانتوم-مکانیکی تشکیل شده که در آن الکترون‌ها قادرند از یک الکترود به الکترود دیگر (با احتمالی که با تغییر شکاف کانال قابل تغییر است) عبور کنند. این ابزار آزمونی ایده‌ال برای جستجوی ویژگی‌های نوفهی است که تاکنون نادیده گرفته شده‌اند.

وقتی یک اختلاف دما مابین دو الکترود ایجاد شده می‌شود، افزایش شدیدی در نوفه الکترونی مشاهده می‌شود؛ در مقایسه با زمانی که دو الکترود در دمای یکسانی قرار داشتند. این نوفه اضافی که محققان آن را نوفه دلتا-تی نام نهاده‌اند، با مربع اختلاف دمایی، مقیاس گذاری شده است که مثل نوفه های پواسونی، وابستگی یکسانی بر رسانایی الکتریکی دارد (شکل یک).

شکل ۱) سه نوع نوفه الکترونیکی. شین لمبرسو و همکارانش [1] آزمایش‌هایی را گزارش کرده‌اند که در آن‌ها تک‌اتم‌ها یا مولکول‌ها بین دو نوک الکترود، معلق مانده‌اند. (a در دمای غیرصفر (به رنگ قرمز) الکترون‌‌ها مابین دو الکترود (پیکان‌ها) شارش می‌کنند. سیگنال الکترونی مربوط به این حرکت شامل نوعی نوفه است که نوفه حرارتی نامیده می‌شود که به صورت خطی با رسانندگی الکتریکی تغییر پیدا می‌کند (در اینجا در واحد کوانتومی رسانندگی نشان داده شده). (b اگر ولتاژی به قطعه اعمال شود، الکترون‌ها از یک الکترود به الکترود دیگر شارش کرده و می‌توانند از اتم یا مولکول موردنظر پراکنده شوند. سیگنال نتیجه شده شامل نوفه پواسونی است که حتی در دمای صفر مطلق نیر حضور دارد. (c اگر یک گرادیان دمایی به قطعه اعمال شود (که با بالابردن دما از آبی به بنفش تا قرمز نشان داده شده است) الکترون‌ها از هردوی الکترودها شارش پیدا کرده و متفرق می‌شوند. این پژوهش‌گران نشان می‌دهند که سیگنال الکتریکی نتیجه شده شامل نوع گزارش نشده‌ای از نوفه هاست که آن‌ها نوفه دلتا-تی نام نهاده‌اند. این نوفه همانند نوفه پواسونی، وابستگی مشابهی به رسانندگی دارد.

شین لمبرسو و همکارانش یافته‌های خود را با استفاده از نظریه‌ی کوانتومیِ انتقال بار (موسوم به نظریه‌ی لاندائر [5]) توضیح داده‌اند که در چند دهه‌ی گذشته توسعه یافته است. این نظریه هم نوفه پواسونی و هم نوفه حرارتی را در برمی‌گیرد و تا مقیاس‌های اتمی و مولکولی به طور گسترده‌ای آزموده شده است [3]. نتیجه این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که بسیاری از مشاهدات آزمایشگاهی، وقتی کاملاً در تعادل حرارتی کار میکنیم یا ولتاژهای کوچک اعمال می‌کنیم، قابل توصیف‌اند. این محققان نگاه دقیقی به این نظریه داشته‌اند و دریافتند که این نظریه شامل مولفه‌ای از نوفه است که در زمان اعمال اختلاف دمایی بین اتصال: دلتا- تی ایجاد می‌شود.

یک جریان الکتریکی می‌تواند از اختلاف دمایی در غیاب ولتاژ اعمالی ناشی شود؛ پدیده‌ای که به اثر سی‌بک معروف است. با این حال نوفه دلتا-تی، نوفه پواسونی مربوط به جریان القا شده توسط حرارت نیست. نتایج این پژوهش‌گران نشان می‌دهد که نوفه دلتای-تی بزرگ‌تر از نوفه پواسونی است و وابستگی متفاوتی به اختلاف دمایی دارد. در عوض، این نتایج پیشنهاد می‌دهند که نوفه دلتا-تی از گسستگی حاملان باری ناشی می‌شود که عامل واسطه‌ی انتقال بار است.

چون نظریه‌ی لاندائر به طور گسترده‌ای استفاده شده، شگفت‌انگیز است که چرا نوفه دلتا-تی قبلا مشاهده نشده است. در مقاله‌ی سال ۲۰۱۳ [6] اهمیت بررسی دقیق تمامی اختلاف دماهای فضایی و جریان‌های الکتریکی نتیجه شده از آن‌ها جهت برای فهم شارش جریان در اتصال‌های اتمی و مولکولی مورد اشاره واقع شده‌اند اما پیامدهای این نوفه ها مورد بررسی واقع نشده‌اند.

شین لمبرسو و همکارانش دریافتند که نظریه‌ی لاندائر تمامی ویژگی‌های دلتا-تی را به طور دقیق توصیف می‌کند. از این منظر آزمایش آن‌ها اثبات زیبای دیگری از نظریه‌ی لاندائر به حساب می‌آید. اما این کار پیام اصلی دیگر را نیز منتقل می‌کند: طراحی و تحلیل بسیار دقیق آزمایش‌ها که برای مطالعه‌ی جزئیات انتقال کوانتومی ضروری است.

کشف این محققان معانی تجربی نیز دارد. بویژه آزمایش‌های کوانتومی انتقال که در تعادل حرارتی کاملی قرار ندارند، نوفه ارتقاء یافته‌ی قدرتمندی را نشان می‌دهند که ممکن است با نوفه ناشی از اندرکنش‌های مابین حاملان بار یا دیگر اثرات اشتباه گرفته شود. تجربی‌کاران در مورد یافته‌های این نوفه دور از انتظار، در اندازه‌گیری‌های جریان الکتریکی‌شان تعجب کرده‌اند و امیدوارند تا بتوانند ستاپ‌شان را برای جستجوی گرادیان‌های دمایی بازبینی کنند. کاربردی‌ترین بخش کار این محققان احتمالاً آن است که این نوفه ارتقاء یافته بتواند برای آشکارسازی هات‌اسپات‌ها در مدارهای الکتریکی بکار رود.

در آینده پژوهش‌گران قادر خواهند بود تا رابطه‌ی مابین نوفه دلتا-تی و نوفه پواسونی که وابستگی غیرخطی به ولتاژ اعمالی دارد را جستجو کنند که همین اواخر در آزمایش‌های ولتاژ بالای اتصالات اتمی مشاهده شده است [7]. چنان مطالعاتی را می‌توان به آزمایش‌های انتقال کوانتومی ولتاژ بالا توسعه داد؛ برای مثال بر روی اتم‌های مصنوعی موسوم به نقاط کوانتومی. به دلیل حساسیت نوفه دلتا-تی به ویژگی‌ها و اندرکنش‌های حاملان بار، این پدیده می‌تواند ابزاری ارزشمند در تحقیقات انتقال کوانتومی باشد.

منبع:

Unexpected noise from hot electrons

مراجع:

1. Shein Lumbroso, O., Simine, L., Nitzan, A., Segal, D. & Tal, O. Nature562, 240–244 (2018).

2. Schottky, W. Ann. Phys. 362, 541–567 (1918).

3. Blanter, Y. M. & Büttiker, M. Phys. Rep. 336, 1–166 (2000).

4. Beenakker, C. & Schönenberger, C. Phys. Today 56, 37–42 (2003).

5. Landauer, R. IBM J. Res. Dev. 1, 223–231 (1957).

6. Lee, W. et al. Nature 498, 209–212 (2013).

7. Tewari, S. & van Ruitenbeek, J. Nano Lett. 18, 5217–5223 (2018).