[論文レビュー] Quantum tape model of mesoscopic time-resolved current detection

Adam Bednorz, Wolfgang Belzig|arXiv (Cornell University)|May 29, 2009

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、メソスコピック導体における時間分解電流測定を記述するための量子テープモデルを提案する。弱い測定による反作用が有限周波数電流積率のずれを引き起こすノイズ感受性を示し、有限周波数における電流積率の補正を実施する。環境補正を外的ノイズではなく、根本的な量子効果として再解釈し、第三積率に対して温度・電圧・周波数に依存する明確な依存性を予測している。この予測は、現在の実験技術で検証可能である。

ABSTRACT

Quantum transport in mesoscopic conductors is essentially governed by the laws of quantum mechanics. One of the major open questions of quantum mechanics is what happens if non-commuting observables are measured simultaneously. Since current operators at different times do not commute, the high-frequency correlation functions of the current are realization of this fundamental quantum question. We formulate this problem in the context of measurements of finite-frequency current cumulants in a general quantum point contact, which are the subject to ongoing experimental effort. To this end, we present two models of detectors that correspond to a weak time-resolved measurement of the electronic current in a mesoscopic junction. In both cases, the backaction of the detector leads to observable corrections to the current correlations functions involving the so-called noise susceptibilities. As a result, we propose a reinterpretation of environmental corrections to the finite-frequency cumulants as inevitable effect resulting from basic quantum mechanical principles. Finally we make concrete predictions for the temperature-, voltage-, and frequency-dependence of the third cumulant, which could be verified directly using current experimental techniques.

研究の動機と目的

• 非可換な物理量、特にメソスコピック系における時系列に整列した電流演算子を測定するという、根本的な量子力学的課題に取り組むこと。
• 量子点接触における弱い、時間分解電流測定を二つの検出器モデルを用いてモデル化し、量子的反作用を捉えること。
• 有限周波数電流積率における環境補正を、外的ノイズではなく、内在的な量子効果として再解釈すること。
• 第三積率の温度・電圧・周波数依存性について、明確で実験的に検証可能な予測を導出すること。

提案手法

• 弱い連続的測定を異なる時刻で模倣する二つの検出器モデル（量子テープモデル）を定式化する。
• 量子測定理論を適用し、検出器の反作用によって生じる電流相関関数の補正を計算する。
• ノイズ感受性を、有限周波数積率に及ぼされる反作用による修正を定量化する主要パラメータとして特定する。
• 量子輸送および非平衡統計力学の形式的枠組みを用いて、修正された積率関数を導出する。
• 量子テープモデルの枠組み内で、第三積率の周波数・バイアス電圧・温度依存性を導出する。
• 環境補正がアーティファクトではなく、時間分解測定における量子力学の必然的結果であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メソスコピック導体における弱い、時間分解電流測定が、有限周波数における電流フラクチュエーションの積率にどのように影響するか？
• RQ2 検出器の反作用が電流相関関数をどのように変化させるか、そしてその影響をどのように定量化できるか？
• RQ3 積率に対する環境補正を、ノイズではなく根本的な量子効果として再解釈できるか？
• RQ4 このような系において、第三積率が温度・電圧・周波数に依存する具体的な関数的依存性は何か？
• RQ5 これらの予測は、現在のメソスコピック輸送技術を用いて実験的に検証可能か？

主な発見

• 検出器の反作用に起因するノイズ感受性が、特に第三積率において有限周波数電流積率を定量的に補正する。
• 積率に対する環境補正は、不純物的効果ではなく、時間分解測定における量子力学的原理の直接的な顕現である。
• 第三積率は、モデルが予測するように、バイアス電圧および温度に敏感な明確な周波数依存性を示す。
• モデルは、有限周波数における第三積率の測定可能なずれを予測しており、既存の実験装置でプローブ可能である。
• 導出された積率の式は、量子測定理論と整合しており、実際の実験データの解釈のためのフレームワークを提供する。
• 結果として、量子測定の反作用とメソスコピック電流統計における観測可能な補正との直接的な関連が確立される。