El ruido es una característica fundamental de cualquier medición eléctrica que calcula fluctuaciones de señal aleatorias y correlacionadas. Aunque el ruido suele ser indeseable, el ruido se puede utilizar para sondear efectos cuánticos y cantidades termodinámicas. Escribiendo en Naturaleza , Shein Lumbroso y sus colaboradores informan ahora de un nuevo tipo de ruido electrónico que se ha descubierto que es distinto de todas las demás observaciones anteriores. Comprender dicho ruido puede ser esencial para diseñar una electrónica a nanoescala eficiente.

Hace más de un siglo, en 1918, El físico alemán Walter Schottky publicó un artículo que describe las causas y manifestaciones del ruido en las mediciones eléctricas. En la publicación, Schottky demostró que una corriente eléctrica producida por un voltaje aplicado era ruidosa, incluso a temperatura de cero absoluto, cuando todo movimiento aleatorio inducido por el calor se detuvo. El ruido fue una consecuencia directa de la carga eléctrica cuantificada que llegó en unidades discretas. El ruido se denominó 'ruido de disparo, 'como resultado de la granularidad del flujo de carga.

En sistemas que están en equilibrio térmico, El ruido con propiedades claramente diferentes del ruido de disparo entró en juego a temperaturas distintas de cero conocidas como ruido de Johnson-Nyquist. El ruido de disparo es ahora una herramienta clave para caracterizar conductores eléctricos a nanoescala, ya que contiene información sobre las propiedades del transporte cuántico que no se puede revelar mediante meras mediciones de corriente eléctrica.

En el estudio, los autores estudiaron uniones compuestas por átomos individuales o moléculas suspendidas entre un par de electrodos de oro. Los electrodos se fabricaron rompiendo un fino hilo de oro en dos partes y volviéndolas a poner en contacto con suavidad. En este proceso, las moléculas de hidrógeno se evaporaron en el dispositivo, conocido como una unión de ruptura controlable mecánicamente, para capturar átomos o moléculas individuales entre las puntas de los electrodos y establecer un contacto eléctrico.

Un canal de transporte mecánico cuántico único constituía las uniones resultantes en las que los electrones podían transmitirse de un electrodo a otro. La probabilidad de transferencia de electrones podría ajustarse variando la apertura del canal. Por lo tanto, se proporcionó una configuración de banco de pruebas ideal para explorar las propiedades de la contribución del ruido que hasta ahora se habían pasado por alto. Cuando se aplicó una diferencia de temperatura entre los dos electrodos, los autores observaron un fuerte aumento del ruido electrónico en comparación con los electrodos a la misma temperatura. El nuevo ruido denominado 'ruido delta-T, 'escalado con el cuadrado de la diferencia de temperatura, exhibiendo una dependencia similar de la conductancia eléctrica como ruido de disparo.

Los hallazgos del estudio se explicaron a través de la teoría cuántica del transporte de carga conocida como teoría de Landauer. desarrollado en las últimas décadas. La teoría incluía tanto ruido de disparo como ruido térmico para pruebas intensivas a escala atómica y molecular. La teoría describió con precisión muchas observaciones experimentales cuando se trabaja completamente en equilibrio térmico o cuando se aplican pequeños voltajes.

En una inspección más cercana de la teoría, los autores observaron que la inclusión de un componente de ruido solo ocurrió cuando una diferencia de temperatura se aplicó únicamente a través de una unión como se observó experimentalmente con ruido delta-T. En ausencia de un voltaje aplicado, puede surgir una corriente eléctrica debido a una diferencia de temperatura a través de un fenómeno denominado efecto Seebeck. Según el estudio, el ruido delta-T surgió de la discreción de los portadores de carga que median el transporte de calor.

Aunque la teoría de Landauer se usa ampliamente, asombrosamente, El ruido delta-T no se había observado previamente. Por lo tanto, el presente trabajo transmitió un mensaje clave de que se requieren un diseño experimental cuidadoso y un análisis riguroso para estudiar los detalles del transporte cuántico. En la práctica, Los experimentos de transporte cuántico que no estaban completamente en equilibrio térmico podrían mostrar un ruido fuertemente mejorado, que podría confundirse con el ruido que surge de las interacciones entre los portadores de carga o debido a efectos sutiles. El ruido inesperadamente alto en las mediciones de corriente eléctrica podría deberse a gradientes de temperatura involuntarios en configuraciones experimentales. En la práctica, El trabajo de los autores se puede utilizar potencialmente para detectar puntos calientes indeseables en circuitos eléctricos.

El enfoque experimental futuro explorará la relación entre el ruido delta-T y el ruido de disparo, con una dependencia no lineal del voltaje aplicado. Este fenómeno se observó recientemente en experimentos de alto voltaje en uniones atómicas. En combinación con ruido térmico, El ruido delta-T se puede utilizar como sonda para las diferencias de temperatura en sistemas a nanoescala. El ruido Delta-T es una sonda versátil en comparación con los sensores físicos, no limitado a un rango de configuración particular, y que se puede aplicar a conductores de tamaños variables, incluidos los de escala atómica. La versatilidad permite que el ruido delta-T se convierta en una herramienta atractiva para la gestión del calor, que incluye termoelectricidad, bombeo de calor y disipación de calor, importante para el ahorro de energía y la producción de energía sostenible. Dado que los gradientes de temperatura a menudo se producen involuntariamente en circuitos electrónicos, para evitar los efectos que limitan el rendimiento del ruido delta-T, los gradientes de temperatura deben minimizarse. La sensibilidad del ruido delta-T sobre las propiedades e interacciones de los portadores de carga podría convertirse en una herramienta valiosa en el transporte cuántico.

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