Forskere opdager helt ny type af støj fra varme elektroner

To guldelektroder er forbundet med hydrogenatomer. Strømmen gennem systemet er påvirket af en hidtil overset støjkilde, som opstår, når de to elektroder ikke har samme temperatur. Illustration: nature

Enhver elektroingeniør ved, at der findes to former for støj i elektronisk kredsløb: haglstøj og termisk støj.

I en artikel i Nature forklarer en israelsk-amerikansk forskergruppe ledet af Oren Tal fra Weizmann Institute of Science, at der også findes en tredje form for støj. Den har termisk oprindelse, men minder i sin natur mere om haglstøj.

Opdagelsen af denne tredje støjform er ikke kun teoretisk interessant. Den kan også bruges til at identificere uønskede lokal opvarmning (hotspots) i elektroniske kredsløb eller som en generel form for temperatursensor.

Haglstøj eller shot noise er en form for støj, som skyldes, at elektrisk ladning ikke flyder kontinuert, da den elektriske ladning er kvantificeret. Den blev opdaget og beskrevet allerede af den tyske fysiker Walter Schottky i 1918. Det betyder, at selv ved det absolutte nulpunkt vil en strøm, som skyldes en elektrisk spændingsforskel, have et støjsignal.

Støj, som skyldes termiske fluktuationer, blev første gang beskrevet af den svenskfødte amerikanske ingeniør John B Johnson i 1926 med hjælp fra en anden svensk-amerikaner, Harry Nyquist. Han beskrev opdagelsen efterfølgende i flere artikler. Det kaldes derfor både termisk støj, Johnson-støj og Johnson-Nyquist støj.

Mens termisk støj er stigende med den elektriske ledningsevne, så har haglstøj en ikke-monotonisk relation som funktion af ledningsevnen.

I et eksperiment med to guldelektroder, som er forbundet med en hydrogen, har forskerne vist, at de udover haglstøj og termisk støj også kan måle et såkaldt delta-T-støj, der opstår når de to elektroder har forskellige temperatur - forsøgene udføres ved lave temperaturer omkring 20-50 kelvin. Støjen er derfor af termisk natur, men dens karakteristika minder mere om haglstøj.

Forskerne redegør for, at deres setup i princippet kan fungere som alsidig probe, idet man ved at måle støjen kan regne sig tilbage til temperaturforskellen.

Allerede indeholdt i teori fra 1957

I en kommentar i Nature skriver Elke Scheer fra universitetet i Konstanz i Tyskland, som har været reviewer på den videnskabelige artikel, at det kan synes overraskende, at man ikke tidligere har iagttaget denne støjform.

Oren Tal og de øvrige forskere beskriver nemlig helt præcist, hvordan denne støjkilde kan udledes fra Rolf Landauers velkendte teori fra 1957. På den måde kan eksperimentet tages som et bevis for Landauers teori, skriver Elke Scheer sammen med sin kollega Wolfgang Belzig.

Scheer og Belzig gør også opmærksom på, at opdagelsen af delta-T-støjen måske kan forklare eksperimenter, der har vist ekstraordinær og uventet støj. Måske burde man i sådanne tilfælde lede efter temperaturgradienter, der kan give anledning til delta-T-støj, foreslår de.

Forskerne mener også, at fænomenet kan vise sig at være et vigtigt værktøj i studier af kvantetransport.