[论文解读] Atomic scale shot-noise using broadband scanning tunnelling microscopy

Freek Massee, Quan Dong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 17被引用 10

一句话总结

本文提出了一种宽带扫描隧道显微镜（STM），可在低电流（<1 nA）和高结电阻（>10 MΩ）条件下，实现原子尺度的散粒噪声检测与传统的直流隧道谱学同步测量。通过将低温HEMT放大器与调谐至1 MHz的LC电缆谐振电路结合，系统实现了高信噪比的散粒噪声测量，在Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ上实现了原子分辨率，其Fano因子F ≈ 1（位于超导能隙之外），证实了电子隧穿的非关联性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种具备同时进行原子尺度散粒噪声检测与传统直流隧道谱学能力的宽带STM，适用于低电流条件。
• 克服传统散粒噪声测量的局限性，后者因宏观结结构而受限于微米级分辨率。
• 实现对强电子关联体系（如高温超导铜氧化物）中量子材料的电子关联效应与电荷动力学在原子尺度上的研究。
• 在亚秒平均时间下实现高信噪比的散粒噪声检测，克服高频下1/f噪声与电缆电容的限制。

提出的方法

• 采用自建低温STM，配备调谐至1 MHz的LC电缆谐振电路（L = 155 µH，C_cable ≈ 160 pF），实现宽带交流信号检测。
• 使用输入噪声为0.22 nV/√Hz（在1 MHz时）的低温HEMT放大器，将电流噪声转换为谐振阻抗Z_res处的电压噪声。
• 通过6.8 nF电容实现直流与交流电路的电气隔离，同时利用400 kΩ串联电阻抑制串扰并确保LC谐振的正确接地。
• 通过带通滤波后使用频谱分析仪测量散粒噪声的功率谱密度，并利用校准的电路参数对噪声进行归一化处理。
• 通过低频电压调制（429.7 Hz）与同步检测技术，同步测量微分电导。
• 从散粒噪声与电流依赖关系的斜率中提取Fano因子F，并对结电阻与非线性动力学效应进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过改进的STM在亚纳安电流灵敏度与亚纳秒时间分辨率下，实现原子尺度的散粒噪声检测？
• RQ2 在Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ上，Fano因子在不同原子位点（尤其是超导能隙之外）如何变化？
• RQ3 电子温度在低电压与低电流条件下对散粒噪声的影响程度如何？
• RQ4 该系统能否在MHz频率下实现原子空间分辨率与高信噪比的散粒噪声与微分电导同步分辨？
• RQ5 阻抗匹配与低温放大对低电流下散粒噪声检测灵敏度有何影响？

主要发现

• 系统在1 MHz下实现了原子尺度的散粒噪声检测，信噪比足以支持亚秒平均时间，实现实时测量。
• 在金表面，散粒噪声功率谱密度符合理论预测S_I = 2q|I|F（F ≈ 1），证实了校准与基线性能。
• 在Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ上，超导能隙之外的态的Fano因子F ≈ 1.00 ± 0.03，表明单电子隧穿为非关联过程。
• 测量得到的散粒噪声在不同区域（峰值能隙从30 mV到70 mV不等）无空间变化，表明能隙外Fano因子保持一致。
• 低温HEMT放大器使系统可在1 nA电流下实现散粒噪声检测，且平均时间小于1秒，显著优于以往低频系统所需数分钟的积分时间。
• 系统在低电压下表现出对电子温度的直接敏感性，表现为低电流下噪声的电压依赖性。