[논문 리뷰] Atomic scale shot-noise using broadband scanning tunnelling microscopy

Freek Massee, Quan Dong외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 01.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 17인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 저전류(<1 nA) 및 고접합 저항(>10 MΩ) 조건에서 원자 체계의 샷노이즈 검출과 전통적인 DC 터널링 스펙트로스코피를 동시에 가능하게 하는 광대역 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 제시한다. 1 MHz로 조율된 LC 케이블 공진 회로와 냉각된 HEMT 증폭기를 통합함으로써, 샷노이즈 측정에 대해 높은 신호 대 잡음비를 달성하였으며, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ에서 원자 해상도를 확보하고 Fano 인자 F ≈ 1을 관측하여 전자 간 상관관계가 없는 단일 전자의 터널링을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저전류 조건에서 동시에 원자 체계의 샷노이즈 검출과 전통적인 DC 터널링 스펙트로스코피를 수행할 수 있는 광대역 STM의 개발.
• 기존의 샷노이즈 측정 방식이 거대한 접합으로 인해 마이크론 체계의 해상도에 국한되는 한계를 극복하기.
• 특히 강한 전자 상관관계를 가진 고온 초전도체인 고온 초전도 구리산염 시스템을 포함한 양자물질에서 전자 상관 효과와 전하 역학을 원자 체계에서 연구할 수 있도록 하기.
• 1초 미만의 평균화 시간 동안에도 높은 신호 대 잡음비를 확보하여, 고주파수에서의 1/f 노이즈 및 케이블 용량의 제한을 극복한 샷노이즈 검출

제안 방법

• 1 MHz로 조율된 LC 케이블 공진 회로(L = 155 µH, C_cable ≈ 160 pF)를 갖춘 자체 제작 저온 STM을 사용하여 광대역 AC 신호 검출을 구현.
• 1 MHz에서 입력 노이즈가 0.22 nV/√Hz인 냉각된 HEMT 증폭기를 사용하여 공진 임피던스 Z_res에서 전류 노이즈를 전압 노이즈로 변환.
• 6.8 nF 커패시터로 DC 및 AC 회로를 전기적으로 분리하고, 400 kΩ 직렬 저항을 통해 교차 캐퍼티드를 억제하며 LC 공진의 적절한 접지 보장을 확보.
• 밴드패스 필터링 후 스펙트럼 분석기를 통해 샷노이즈 전력 스펙트럴 밀도를 측정하고, 캘리브레이션된 회로 파rameter를 사용해 노이즈를 정규화.
• 저주파수 전압 변조(429.7 Hz)와 락인 기법을 사용하여 동시에 미분 도전도를 측정.
• Fano 인자 F는 샷노이즈와 전류의 의존성 기울기에서 유도되며, 접합 저항 및 비선형 역학적 동역학에 대한 보정을 적용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수정된 STM를 사용하여 1 나노초 이하의 시간 해상도와 1 nA 이하의 전류 감도로 원자 체계에서 샷노이즈를 검출할 수 있는가?
• RQ2 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ의 다양한 원자 위치에서 Fano 인자는 어떻게 변화하는가, 특히 초전도 갭 외부에서?
• RQ3 낮은 전압 및 낮은 전류 조건에서 전자 온도는 샷노이즈에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 MHz 주파수에서 원자 공간 해상도와 높은 신호 대 잡음비를 확보하면서 샷노이즈와 미분 도전도를 동시에 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ5 임피던스 매칭과 냉각 증폭이 낮은 전류 조건에서 샷노이즈 검출 감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1 MHz에서 신호 대 잡음비가 충분하여 1초 미만의 평균화 시간 동안 실시간 측정이 가능한 원자 체계의 샷노이즈 검출을 달성하였다.
• 금 표면에서 샷노이즈 전력 스펙트럴 밀도는 S_I = 2q|I|F와 이론 예측에 부합하며, F ≈ 1로 나타나 캘리브레이션 및 기준 성능을 확인하였다.
• Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ에서 초전도 갭 외부(|E| > 30 mV) 상태에서 Fano 인자 F ≈ 1.00 ± 0.03를 관측하여 단일 전자의 상관관계 없는 터널링을 확인하였다.
• 다양한 갭 크기(Δ_peak-to-peak: 30 mV에서 70 mV)를 가진 영역 간에 샷노이즈에 공간적 변화가 없었으며, 갭 외부에서 일관된 Fano 인자를 나타내었다.
• 냉각된 HEMT 증폭기를 통해 1 nA 이하의 전류에서도 샷노이즈를 검출할 수 있었으며, 1초 미만의 평균화 시간으로 측정이 가능해 이전의 저주파 시스템이 수분 단위로 통합이 필요했던 것에 비해 획기적인 향상이 이루어졌다.
• 낮은 전압 조건에서 전자 온도에 직접적으로 민감하게 반응하는 것으로 나타나, 낮은 전류에서의 노이즈에 대한 전압 의존성이 관측되었다.