[论文解读] Shaping a time-dependent excitation to control the electron distribution function: noise minimization in a tunnel junction

Julien Gabelli, Bertrand Reulet|arXiv (Cornell University)|May 16, 2012

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

该论文表明，通过控制振幅和相对相位，对包含频率 ν 和 2ν 的双频谐振交流激励进行整形，可实现对隧道结中非平衡电子分布函数的动态调控，从而将散粒噪声降低至单频激励所能达到的水平以下。关键结果是，ν 和 2ν 处光子吸收过程之间的相干干涉可抑制噪声，当直流偏置非零且相位与振幅适当调节时，可实现最优噪声抑制。

ABSTRACT

We report measurements of shot noise in a tunnel junction under bi-harmonic illumination, Vac(t) = Vac1 cos(2πft) + Vac2 cos(4πft+ ϕ). The experiment is performed in the quantum regime, hf >> k_BT at low temperature T = 70 mK and high frequency f = 10 GHz. From the measurement of noise at low frequency, we show that we can infer and control the non-equilibrium electronic distribution function by adjusting the amplitudes and phase of the excitation, thus modeling its shape. In particular, we observe that the noise depends not only on the amplitude of the two sine waves but also on their relative phase, due to coherent emission/absorption of photons at different frequencies. By shaping the excitation we can minimize the noise of the junction, which no longer reaches its minimum at zero dc bias. We show that adding an excitation at frequency 2f with the proper amplitude and phase can reduce the noise of the junction excited at frequency f only.

研究动机与目标

• 探究时变交流激励如何调控介观导体中非平衡电子分布函数。
• 研究是否可通过工程化设计相干光子辅助过程，以最小化隧道结中的电流噪声。
• 证明通过在 2ν 处添加第二次谐波分量，可使噪声低于单频激励所能达到的最小值。
• 建立一种通过定制交流激励下的低频噪声测量，推断并控制电子分布函数的方法。

提出的方法

• 实验采用双频交流电压激励：$ V_{ac}(t) = V_{ac1}\cos(2\pi\nu t) + V_{ac2}\cos(4\pi\nu t + \varphi) $，其中振幅 $ V_{ac1}, V_{ac2} $ 和相位 $ \varphi $ 可独立调节。
• 利用低温放大器和功率检测器测量低频散粒噪声，通过在 0.5–1.8 GHz 带宽内积分提取噪声功率谱密度 $ S_2 $。
• 通过将噪声测量结果与隧道结中光子辅助隧穿的理论模型进行拟合，推断电子分布函数。
• 理论建模采用周期性时变激励的形式，计算非平衡稳态分布函数并预测噪声行为。
• 系统在 $ T = 70\,\text{mK} $、$ \nu = 10\,\text{GHz} $ 条件下运行，且满足 $ h\nu \gg k_B T $，确保可进入量子 regime。
• 通过定向耦合器和偏置耦合器实现阻抗匹配，并允许直流与交流电压在隧道结上叠加。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用频率为 ν 和 2ν 的双频交流激励，对隧道结中的非平衡电子分布函数进行整形？
• RQ2 ν 和 2ν 处光子吸收过程之间的相干干涉是否可导致散粒噪声低于单频激励水平？
• RQ3 在有限温度和非整数 $ eV_{dc}/h\nu $ 条件下，噪声最小值是否仍出现在 $ V_{dc} $ 的量子化值处，或发生偏移？
• RQ4 通过调节 2ν 分量的振幅和相位，能否在非零直流偏置下实现噪声最小化？

主要发现

• 当 2ν 处加入相干激励，振幅 $ eV_{ac2} = 2.4\,h\nu $，相位 $ \varphi = 0 $ 时，散粒噪声低于在 $ V_{ac2} = 0 $ 条件下单频激励所观测到的最小值。
• 当 $ \varphi = 0 $ 或 $ \pi $ 时，噪声最小值从 $ V_{dc} = 0 $ 移动至 $ eV_{dc} = \pm 2.3\,h\nu $，证明了噪声最小值受相位调控。
• 当 $ \varphi = \pi/2 $ 时，噪声最小值仍位于 $ V_{dc} = 0 $，证实了噪声分布的对称性依赖性。
• 噪声差值 $ \Delta S_{2,ac}(V_{dc}) = S_2(V_{dc}, V_{ac1}, V_{ac2}) - S_2(V_{dc}, V_{ac1}, V_{ac2} = 0) $ 在一定 $ V_{dc} $ 范围内为负，证明了通过破坏性干涉实现噪声抑制。
• 在有限温度下，实现噪声最小化的最优波形并非洛伦兹型，而类似于带有直流偏移的洛伦兹函数前两个谐波，表明其偏离了理想零温假设。
• 该效应为纯粹的量子效应：噪声抑制源于 ν 处双光子过程与 2ν 处单光子过程之间的相干干涉，而非经典平均效应。