[论文解读] Non-equilibrium noise in a mesoscopic conductor: microscopic analysis

B. L. Altshuler, Leonid Levitov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 1994

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文利用非平衡Keldysh形式体系，对介观导体中的非平衡电流噪声进行了微观推导。推导出在时变电压作用下的电流涨落的一般表达式，表明噪声具有相位敏感性，且周期性依赖于∫V(t)dt，周期为h/e，并预测在直流电压下存在1/3的量子至经典散粒噪声抑制因子，与后来Beenakker和Büttiker的结果一致。

ABSTRACT

Current fluctuations are studied in a mesoscopic conductor using non-equilibrium Keldysh technique. We derive a general expression for the fluctuations in the presence of a time dependent voltage, valid for arbitrary relation between voltage and temperature. Two limits are then treated: a pulse of voltage and a DC voltage. A pulse of voltage causes phase sensitive current fluctuations for which we derive microscopically an expression periodic in $\int V(t)dt$ with the period $h/e$. Applied to current fluctuations in Josephson circuits caused by phase slips, it gives an anomalous contribution to the noise with a logarithmic singularity near the critical current. In the DC case, we get quantum to classical shot noise reduction factor 1/3, in agreement with recent results of Beenakker and Büttiker.

研究动机与目标

• 发展介观导体在非平衡条件下电流噪声的微观理论。
• 研究在时变电压驱动下，特别是非微扰区域中电流涨落的行为。
• 解决在直流电压存在下量子至经典噪声过渡的问题。
• 解释约瑟夫森结中由于临界电流附近相位滑移引起的异常噪声贡献。
• 提供一个适用于任意电压-温度关系的通用框架，超越线性响应范围。

提出的方法

• 采用非平衡Keldysh场论形式体系，描述介观系统中的电子输运。
• 推导在任意时变电压偏置下电流-电流关联函数的一般表达式。
• 分析两种极限情况：短电压脉冲和恒定直流电压。
• 利用Keldysh技术计算噪声谱，包括量子干涉效应。
• 将该形式体系应用于约瑟夫森电路，研究具有对数奇点的相位滑移引起的噪声。
• 通过评估噪声功率谱，在直流极限下提取散粒噪声抑制因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在时变电压偏置下，介观导体中的电流涨落如何行为？
• RQ2 对电压脉冲响应的相位敏感噪声的微观起源是什么？
• RQ3 在直流极限下，散粒噪声的量子修正为何值？与经典预测相比如何？
• RQ4 约瑟夫森结中的相位滑移如何在临界电流附近贡献于异常噪声？
• RQ5 Keldysh形式体系能否一致地描述在整个电压和温度范围内的非平衡噪声？

主要发现

• 电流噪声表现出对电压脉冲积分的周期性依赖，周期为h/e，表明存在相位相干的量子干涉。
• 对于电压脉冲，噪声谱中存在由于相位滑移引起的异常贡献，在约瑟夫森电路中临界电流附近表现出对数奇点。
• 在直流极限下，量子噪声功率相比经典散粒噪声被抑制了1/3，证实了非平凡的量子修正。
• 推导出的噪声表达式适用于任意电压-温度比，扩展了线性响应区域之外的适用范围。
• 结果与Beenakker和Büttiker的近期发现一致，验证了该微观方法的有效性。
• 该形式体系能够捕捉非微扰效应，如相位相干隧穿和输运中的量子干涉。