[論文レビュー] The Noise Susceptibility of a Photo-excited Coherent Conductor

Julien Gabelli, Bertrand Reulet|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2008

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ひとこと要約

本論文は、光励起されたコherent 導体における量子ノイズの動的応答関数としてのノイズ感受性を導入し、これがダイナミカル・クーロン・ブロッキングと量子ノイズの相互作用を支配することを示している。Landauer-Büttiker 形式を用いて、相関関数 ⟨i(ω)i(pω₀−ω)⟩ の一般式を導出し、実験と定量的に一致することを示し、ノイズ感受性が環境フィードバックと量子輸送ダイナミクスの中心的リンクであることを確立した。

ABSTRACT

We report the theory of the \emph{dynamical response of current fluctuations} of a photo-excited conductor. We have performed the calculation for a coherent conductor described by arbitrary energy-dependent transmissions and for arbitrary frequencies. We consider two experimental setups that correspond to different ways of symmetrizing the current operators, leading to different predictions. Our results are in very good, quantitative agreement with a recent measurement. We demonstrate that the dynamical response of noise that we have calculated is the key concept that relates Dynamical Coulomb Blockade, i.e. the electron-electron correction to the conductance due to the presence of an external impedance, to quantum noise.

研究の動機と目的

• 交流バイアス下におけるコherent 導体の電流ノイズの動的応答を理論的に枠組みづけること。
• ノイズ感受性がダイナミカル・クーロン・ブロッキングと量子ノイズ現象をどのように結びつけるかを明確にすること。
• 電流相関関数における演算子の対称化を分析することで、実験的設定の相違に起因する矛盾を解消すること。
• 直流限界を超えて、有限周波数の交流励起における量子ノイズの理解を拡張すること。
• 任意のエネルギー依存伝送関数および周波数に対して有効な、相関関数 ⟨i(ω)i(pω₀−ω)⟩ の一般式を提供すること。

提案手法

• 時間依存電圧バイアス V(t) = V + δV cos(ω₀t) を用いた Landauer-Büttiker アプローチに基づく形式的枠組み。Bessel 関数による交流モードの誘導を含む。
• エネルギー依存伝送・反射振幅 t(E), r(E) を組み込んだ周波数領域における電流演算子 I(ω) の導出。
• 左リザボアのフェルミ海に及ぼされる交流バイアス効果を考慮するための Tien-Taylor 変換の使用。
• ノイズ感受性 χ_ω₀(ω) を、交流励起に対するノイズスペクトル密度の線形応答として定義。
• 伝送・反射係数に位相情報を組み込むことで、標準的なフォト補助ノイズとは異なり、感受性に影響を与える。
• 単一チャネル導体におけるノイズ感受性相関関数 ⟨i(ω)i(pω₀−ω)⟩ の明示的導出。複数チャネルへの一般化は和算により可能。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意のエネルギー依存伝送関数を持つコherent 導体において、周波数 ω₀ での交流励起に対してノイズ感受性 χ_ω₀(ω) はどのように応答するか。
• RQ2 異なる実験的設定における電圧依存ノイズ応答の形状を決定づける演算子の対称化の役割は何か。
• RQ3 ノイズ感受性はダイナミカル・クーロン・ブロッキングとどのように関係するか。既存の DCB 表式は χ_ω₀(ω) を用いて再定式化可能か。
• RQ4 拡散的ワイヤーにおけるノイズ感受性の周波数依存性は何か。異なるエネルギーにおける伝送の相関はこれにどのように影響するか。
• RQ5 ノイズ感受性は有限周波数における高次電流・電圧モーメントの理解のための普遍的フレームワークとして機能可能か。

主な発見

• ノイズ感受性 χ_ω₀(ω) は、交流電圧励起に対するノイズスペクトル密度の線形応答として導出され、量子ノイズ理論の動的一般化を提供する。
• 最近の実験測定（ω ∼ ω₀ 範囲）と優れた定量的一致を示す。
• 電流演算子の対称化が異なる2つの実験的設定が、ノイズ応答の異なる電圧依存性をもたらし、過去の測定値の相違を説明できる。
• ノイズ感受性がダイナミカル・クーロン・ブロッキングと量子ノイズを結ぶ重要な量であることが示され、直流電流の補正 δI(V) は δI(V) = −(ℏ/e²)∫K(ω)ωχ_ω(ω)dω と表せる。
• 伝送・反射振幅の位相がノイズ感受性に顕著に影響を与え、標準的なフォト補助ノイズには見られないが、動的応答においては不可欠な特徴である。
• 低周波数でもノイズ感受性は有限であり、スクリーニングに依存せず、交流コンダクタンスとは異なり、電荷中性の電子-正孔励起の強力なプローブである。