Более чувствительные датчики и детекторы на основе полупроводниковой электроники могут стать результатом новых открытий исследователей из США, Норвегии и России.
Их исследование привело к решающему шагу в определении происхождения универсального феномена шума «один над f» (1/f); «f» означает «частота».
«Шум один над f появляется почти везде, от электронных устройств и усталости материалов до движения на дорогах, распределения звезд в галактиках и последовательностей ДНК», - сказал Валерий Винокур из отдела материаловедения Аргонны.«Обнаружение общего происхождения шума one-over-f во многих его формах является одной из главных задач физики материалов. Наша теория устанавливает происхождение и нижний предел шума one-over-f в полупроводниковой электронике, помогая оптимизировать детекторы для коммерческое приложение."
Шум - это флуктуация во времени, отклонение от среднего. Люди и другие животные несут общий пример в своем сердцебиении, где шум 1/f может быть обнаружен как отклонение от нормального пульса. В наноматериалах, таких как крошечные схемы в полупроводниковой электронике, шум, создаваемый случайным движением одного электрона, может быть разрушительным, поскольку в системе так мало электронов..
Винокур и его команда показали, что 1/f-шум в легированных полупроводниках, основа всей современной электроники, возникает из-за случайного распределения примесей и взаимодействия множества окружающих их электронов. Эти две составляющие - случайность и взаимодействие - задерживают электроны в кулоновском стекле, состоянии, подобном оконному стеклу, где электроны перемещаются, прыгая из одного случайного места в другое.1/f-шум возникает от электронов; прыжковое движение. Обнаружив теоретическую связь между 1/f-шумом и образованием кулоновского стекла, Винокур и его сотрудники подтвердили ее с помощью крупномасштабного компьютерного моделирования: было обнаружено, что подавление взаимодействий устраняет поведение кулоновского стекла и 1/f-шум.
«Наши результаты, - сказал Винокур, - устанавливают, что шум one-over-f является родовым свойством кулоновских стекол и, кроме того, широкого класса случайных взаимодействующих систем и явлений, начиная от механических свойств реальных материалов и электрических свойств электронных устройств к колебаниям трафика компьютерных сетей и Интернета».
Эти результаты исследования были опубликованы в выпуске Physical Review Letters от 11 мая.
Соавторами этого исследования были Винокур и Андреас Глатц из Аргонны, Ю. М. Гальперин из Университета Осло, Осло, Норвегия, и А. Ф. Иоффе из Физико-технического института РАН, Санкт-Петербург, Россия.