[論文レビュー] Non-equilibrium noise in a mesoscopic conductor: microscopic analysis

B. L. Altshuler, Leonid Levitov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 1994

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、非平衡ケルディシュ形式を用いて、メソスコピック導体における非平衡電流ノイズの微視的導出を提示する。時間に依存する電圧下での電流揺動の一般式を導出し、∫V(t)dt に対して周期的で周期 h/e の位相に依存するノイズを示し、直流電圧下での量子的から古典的への中間ノイズ低減要因 1/3 を予測している。これは後にビーナッカーと Büttiker が得た結果と一致する。

ABSTRACT

Current fluctuations are studied in a mesoscopic conductor using non-equilibrium Keldysh technique. We derive a general expression for the fluctuations in the presence of a time dependent voltage, valid for arbitrary relation between voltage and temperature. Two limits are then treated: a pulse of voltage and a DC voltage. A pulse of voltage causes phase sensitive current fluctuations for which we derive microscopically an expression periodic in $\int V(t)dt$ with the period $h/e$. Applied to current fluctuations in Josephson circuits caused by phase slips, it gives an anomalous contribution to the noise with a logarithmic singularity near the critical current. In the DC case, we get quantum to classical shot noise reduction factor 1/3, in agreement with recent results of Beenakker and Büttiker.

研究の動機と目的

• 非平衡状態下におけるメソスコピック導体の電流ノイズの微視的理論の構築を目的とする。
• 特に非摂動的領域において、時間に依存する電圧によって駆動される際の電流揺動の挙動を扱うことを目的とする。
• 直流電圧下における量子的から古典的へのノイズ遷移を解明することを目的とする。
• 臨界電流付近における位相スリップがジョセフソン接合で生じる異常なノイズ寄与を説明することを目的とする。
• 線形応答領域を超えて、任意の電圧-温度関係に有効な一般枠組みを提供することを目的とする。

提案手法

• メソスコピック系における電子輸送を記述するため、非平衡ケルディシュ場理論形式を用いる。
• 任意の時間に依存する電圧バイアス下での電流-電流相関関数の一般式を導出する。
• 2つの極限ケースの分析：短い電圧パルスと一定の直流電圧。
• ケルディシュ技術を用いて、量子干渉効果を含むノイズスペクトルを計算する。
• ジョセフソン回路への形式の適用により、対数的特異性を示す位相スリップに起因するノイズを研究する。
• ノイズパワースペクトルを評価することで、直流極限におけるショットノイズ低減要因を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間に依存する電圧バイアス下におけるメソスコピック導体での電流揺動はどのように振る舞うか？
• RQ2 電圧パルスに応答する位相に依存するノイズの微視的起源は何か？
• RQ3 直流極限におけるショットノイズへの量子補正は何か？そして古典的予測と比べてどうなるか？
• RQ4 ジョセフソン接合における位相スリップは、臨界電流付近で異常なノイズにどのように寄与するか？
• RQ5 ケルディシュ形式は、電圧と温度の全範囲にわたって非平衡ノイズを一貫して記述できるか？

主な発見

• 電流ノイズは、電圧パルスの積分に対して周期的で周期 h/e の依存性を示し、位相に保存された量子干渉を示している。
• 電圧パルスの場合、ノイズスペクトルには位相スリップに起因する異常な寄与が含まれており、ジョセフソン回路では臨界電流付近で対数的特異性を示す。
• 直流極限において、量子ノイズパワーは古典的ショットノイズに対して 1/3 に低減しており、非自明な量子補正を確認している。
• 導出されたノイズ式は、任意の電圧-温度比に対して有効であり、線形応答領域を超えて拡張されている。
• 最近の Beenakker と Büttiker の結果と整合しており、微視的アプローチの妥当性が裏付けられている。
• 形式は位相に保存されたトンネル効果や量子干渉を含む非摂動的効果を捉えている。