[論文レビュー] Atomic scale shot-noise using broadband scanning tunnelling microscopy

Freek Massee, Quan Dong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、低電流（<1 nA）および高接合抵抗（>10 MΩ）条件下で、同時に原子スケールのショットノイズ検出と従来のDCトンネル分光法を実現する広帯域走査トンネル顕微鏡（STM）を提案する。冷媒HらMトアンプと1 MHzに調整されたLCケーブル共振回路を統合することで、ショットノイズ測定に高い信号対ノイズ比を達成し、Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓにおいてFano係数F ≈ 1の原子分解能を示した。これは、超伝導ギャップ外で電子の相関がないトンネルを確認するものである。

ABSTRACT

We have developed a broadband scanning tunnelling microscope capable of conventional, low frequency (&lt;10 kHz), microscopy as well spectroscopy and shot-noise detection at 1 MHz. After calibrating our AC circuit on a gold surface, we illustrate our capability to detect shot-noise at the atomic scale and at low currents (&lt;1 nA) by simultaneously measuring the atomically resolved differential conductance and shot-noise on the high temperature superconductor Bi$_{2}$Sr$_{2}$CaCu$_{2}$O$_{8+x}$. We further show our direct sensitivity to the temperature of the tunnelling electrons at low voltages. Our broadband probe opens up the possibility to study charge and correlation effects at the atomic scale in all materials accessible to STM.

研究の動機と目的

• 低電流での同時原子スケールのショットノイズ検出と従来のDCトンネル分光法を実現可能な広帯域STMの開発。
• 従来のショットノイズ測定に制限される微粒子スケールの分解能（マクロな接合による制限）を克服すること。
• 特に強い電子相関を示す高Tc銅酸化物のような量子材料において、電子相関効果および電荷ダイナミクスを原子スケールで解明すること。
• 1秒未満の平均化時間で、1/fノイズおよびケーブル静電容量の制限を克服し、ショットノイズ検出に高い信号対ノイズ比を達成すること。

提案手法

• 1 MHzに調整されたLCケーブル共振回路（L = 155 µH, C_cable ≈ 160 pF）を備えた自作低温度STMを用い、広帯域AC信号検出を実現。
• 1 MHzで0.22 nV/√Hzの入力ノイズを示す冷媒HらMトアンプを用い、共振インピーダンスZ_resで電流ノイズを電圧ノイズに変換。
• 6.8 nFのコンデンサでDCおよびAC回路を電気的に分離し、400 kΩの直列抵抗でクロストーク抑制とLC共振の適切なグラウンド化を確保。
• ショットノイズのパワースペクトル密度はバンドパスフィルタを介したスペクトラムアナライザで測定され、校正済みの回路パrameterを用いてノイズを正規化。
• 微小な電圧変調（429.7 Hz）とロックイン技術を用いて、同時に微分伝導度を測定。
• Fano係数Fは、ショットノイズと電流依存性の傾きから抽出され、接合抵抗および非線形ダイナミクスの補正が施されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改良されたSTMを用いて、1ナノ秒未満の時間分解能と1 nA未満の電流感度で、原子スケールのショットノイズを検出可能か？
• RQ2 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓの異なる原子サイトにおけるFano係数は、特に超伝導ギャップ外でどのように変化するか？
• RQ3 低電圧および低電流条件下で、電子温度がショットノイズに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 1 MHz周波数で、原子的空間分解能および高い信号対ノイズ比を有する状態で、ショットノイズと微分伝導度を同時に解像可能か？
• RQ5 インピーダンス整合および冷媒アンプが、低電流におけるショットノイズ検出感度にどのように影響するか？

主な発見

• 1 MHzで、1秒未満の平均化時間で十分な信号対ノイズ比を達成し、リアルタイム測定が可能となる原子スケールのショットノイズ検出を実現。
• 金表面では、ショットノイズのパワースペクトル密度が理論的予測S_I = 2q|I|F（F ≈ 1）に従い、キャリブレーションおよびベースライン性能を確認。
• Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓの超伝導ギャップ外（|E| > 30 mV）の状態では、Fano係数F ≈ 1.00 ± 0.03であり、単一電子の相関のないトンネルを示す。
• ギャップサイズが異なる領域（Δピークtoピーク：30 mVから70 mV）においても、測定されたショットノイズに空間的変動が認められず、ギャップ外で一貫したFano係数を示す。
• 冷媒HらMトアンプのおかげで、1 nAの電流までショットノイズを検出可能となり、1秒未満の平均化で実現可能。これは、従来の低周波数システムが数分間の積分を要するのと比べ顕著な改善である。
• 低電圧条件下で、電子温度の直接的な感度が、低電流におけるノイズの電圧依存性から裏付けられている。