[論文レビュー] Noise and charge discreteness as ultimate limit for the THz operation of ultra-small electronic devices

Enrique Colomés, J. Mateos+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 58被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、超小型電子デバイスにおけるテラヘルツ（THz）動作の根本的限界として、電荷の離散性と量子ノイズを特定する。ボーム的軌道を用いて多重時刻量子測定をモデル化し、解析的ノイズモデルを導出。その結果、デバイス体積が小さくなるにつれてTHzノイズが無限大に発散することを示し、超小型THzデバイスは物理的に実現不可能であることが判明。つまり、超小型化かTHz動作のどちらかは可能だが、両立は不可能である。

ABSTRACT

Altres ajuts: Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León (project SA254P18)

研究の動機と目的

• 超小型電子デバイスがテラヘルツ（THz）周波数で動作する際の、電子電荷の離散性に起因する内在的ノイズを特定・分析すること。
• 超小型デバイスにおける多重時刻量子測定をモデル化する理論的・計算的フレームワークの不足に取り組むこと。
• 接触ノイズが存在しない理想化された条件下でも、デバイス体積が小さくなるにつれてTHzノイズが制御不能になることを示すこと。
• 超小型寸法を優先するスケーリング戦略が、有効なTHz動作を達成することと両立できないことを確立すること。
• この根本的量子限界を露呈させることで、将来のTHzデバイス設計に物理的根拠を提供すること。

提案手法

• ボーム力学を用いて、電子軌道を介したTHz周波数での電流測定を量子測定としてモデル化すること。
• 条件付き波動関数から導出された電子移動時間とサンプリング統合時間に基づき、THzノイズの解析的モデルを構築すること。
• BITLLESシミュレータを用いて、古典的または定常状態近似に依存しない量子軌道から電流自己相関およびノイズを計算すること。
• シュレーディンガー方程式ではなくディラック方程式に従う電子力学を示すグラフェンのようなディラック系デバイスにこの形式を適用すること。
• 環境的影響を弱い測定モデル（Ba ≡ 0）で近似し、接触寄与ではなく内在的デバイスノイズに焦点を当てる。
• 解析的モデルを、半古典的および完全な時間依存モンテカルロシミュレーションの両方と照合して検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子電荷の離散性が原因で、超小型電子デバイスにおけるTHz動作の根本的限界は何か？
• RQ2 電子電荷の離散性が、デバイス体積が小さくなるにつれてなぜ無限大に発散するTHzノイズを引き起こすのか？
• RQ3 一貫した量子力学的枠組みで、超小型デバイスにおけるTHz周波数での電流揺らぎをモデル化できるか？
• RQ4 従来のシミュレーション手法は、多重時刻量子測定に起因するノイズをどの程度正しく捉えていないのか？
• RQ5 超小型スケーリングを目的としたデバイスで、実用的なTHz動作を達成することは可能か？

主な発見

• 超小型デバイスのアクティブ領域の体積が小さくなるにつれて、電子電荷の離散性に起因しTHzノイズが無限大に発散する。
• 接触抵抗などの技術的ノイズ源が存在しない状況でも、内在的量子ノイズが超小型デバイスにおける有効なTHz動作を妨げる。
• ボーム的軌道から導出した解析的ノイズモデルは、半古典的および完全な量子モンテカルロシミュレーションの両方と一致し、ノイズレベルを正確に予測している。
• アクティブ領域に数個の電子しか存在しない場合、信号対ノイズ比（SNR）はTHz周波数で耐えがたいほど低下する。
• 超小型デバイスはTHz周波数で効果的に動作できず、THzデバイスを超小型化することもできない。両者の目的は根本的に不整合である。
• 弱い測定近似（Ba ≡ 0）を用いることで、保守的な推定が得られ、実際のノイズは予測値を上回る可能性がある。