[論文レビュー] Observation of Quantum Oscillations in the Photo-assisted Shot Noise of a Tunnel Junction

Gabriel Gasse, Lafe Spietz+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2013

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超低温度（27 mK）における高周波交流駆動下のトンネル接合の光助ケイズノイズにおいて、量子干渉に起因する周期 $ h\nu/e $ の量子振動を観測した。この振動は、電子-正孔対の時間領域における量子干渉に起因し、通常金属における電荷輸送の量子的性質を直接示す証拠を提供する。

ABSTRACT

We report measurements of the low frequency current fluctuations of a tunnel junction placed at very low temperature biased by a time-dependent voltage $V(t)=V(1+\cos 2πνt)$. We observe that the excess noise generated by the ac excitation exhibits quantum oscillations as a function of the dc bias, with a period given by $hν/e$ with $e$ the charge of a single electron. This is a direct consequence of the quantum nature of electricity in a normal conductor.

研究の動機と目的

• 時間依存電圧によって駆動されるトンネル接合の低周波ケイズノイズにおける量子振動の観測。
• 通常金属における電荷輸送の量子的性質が、時間領域における電流フラクチュエーションに観測可能な干渉効果をもたらすことを実証すること。
• 高周波交流駆動下における光助ノイズにおける $ h\nu/e $-周期の振動が理論的に予測されていることの実験的検証。
• 超低温度下での強い実験的ドリフトおよび電子加熱効果にもかかわらず、これらの振動を分離して測定すること。

提案手法

• 熱的ノイズを最小限に抑えるために、27 mKの超低温度ドライアイス冷却器内にトンネル接合を設置した。
• 10 GHzおよび20 GHzの周波数を持つ時間依存電圧 $ V(t) = V(1 + \cos 2\pi\nu t) $ を印加し、接合を非平衡状態に駆動した。
• 1–80 MHzの低周波数電流フラクチュエーションを、校正済みのアンプチェーンとパワー検出器を用いて測定し、ノイズスペクトル密度 $ S_I $ を抽出した。
• データ取得中のゆっくりとしたドリフトを分離するために、100 Hzでロックイン検出を実施した。
• ジョンソン＝ニューベルトのノイズ式を用いてシステムを校正し、直流電圧 $ V_{dc} $ の関数としてのノイズの形状から、交流による加熱を補正した電子温度 $ T $ を抽出した。
• 理論式 $ S(V_{dc}, V_{ac}) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} J_n^2\left(\frac{eV_{ac}}{h\nu}\right) S_0\left(V_{dc} + n\frac{h\nu}{e}\right) $ にデータをフィットさせた。ここで $ S_0 $ は直流ケイズノイズである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常金属トンネル接合の光助ケイズノイズにおいて、周期 $ h\nu/e $ の量子振動を観測できるか？
• RQ2 観測された振動パターンは、時間順序付けられた電子-正孔対干渉が量子輸送に果たす役割を確認するものか？
• RQ3 高周波駆動下における電子加熱が、ノイズ応答の測定および校正にどのように影響するか？
• RQ4 広範な点検にもかかわらず、$ V_{ac}/V_{dc} $ キャリブレーションに5–8%の乖離が生じる理由は何か？

主な発見

• 直流電圧 $ V_{dc} $ の関数として、$ h\nu/e $ の周期を持つ量子振動が、過剰ケイズノイズに明確に観測され、理論的予測を裏付けた。
• 振動の振幅はノイズ温度で約10 mKに達し、長期間にわたるドリフトに対してもロックイン検出により検出可能であった。
• 20 GHz駆動下では、交流電圧がゼロの状態の27 mKから、$ eV_{ac}/h\nu = 3 $ で90 mKに電子温度が上昇した。これは顕著な加熱を示している。
• 電子温度 $ T(V_{ac}) $ に依存する理論的フィットは、実験データと良好に一致したが、5–8%のキャリブレーションオフセットは未解明のままであった。
• 有限温度による幅が生じたため、振動は完全な周期的でなく、温度が上昇するにつれて最小値がより高い電圧にシフトした。
• わずかな $ V_{ac}/V_{dc} $ の不一致（20 GHzで1.055、10 GHzで1.075）を補正した理論曲線は、実験データを極めてよく再現し、モデルの妥当性を裏付けた。