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《相干介觀系統(tǒng)中散粒噪聲的monte carlo模擬方法研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、文章編號(hào)：20072174相干介觀系統(tǒng)中散粒噪聲的MonteCarlo模擬方法研究陳華杜磊莊奕琪（西安電子科技大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院，西安710071）（西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安710071）根據(jù)電荷通過低溫量子導(dǎo)體時(shí)具有的二項(xiàng)分布導(dǎo)致散粒噪聲這一結(jié)論，結(jié)合Landauer電流公式的物理內(nèi)涵建立了相干介觀系統(tǒng)中的散粒噪聲模型，并通過MonteCarlo模擬方法產(chǎn)生了散粒噪聲時(shí)間序列。介觀系統(tǒng)中散粒噪聲的抑制來源于電子輸運(yùn)時(shí)的相關(guān)性，傳輸本征值雙峰分布導(dǎo)致量子混沌腔和無序金屬中的散粒噪聲抑制，定性地分析了傳輸本征值分布與電子輸運(yùn)相關(guān)性之間
2、的關(guān)系。關(guān)鍵詞：散粒噪聲，Landauer公式，介觀系統(tǒng)PACC：72707210*國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：60676053）和西安應(yīng)用材料創(chuàng)新基金（批準(zhǔn)號(hào)：XA－AM-200603）資助的課題?E-mail:addal@163.com1.引言散粒噪聲來源于電子的離散本征特性[1]和運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性[2]。1918年，肖特基發(fā)現(xiàn)真空管中的散粒噪聲正比于平均電流，并給出了，為散粒噪聲功率譜，為平均電流，為電子電量。最近的十幾年，無論從實(shí)驗(yàn)上還是從理論上，人們對(duì)低維系統(tǒng)和介觀系統(tǒng)中散粒噪聲的關(guān)注與日俱增[2-6]。散粒噪聲及其抑制現(xiàn)象即廣泛地存
3、在于介觀系統(tǒng)的電流漲落中，電子在系統(tǒng)中輸運(yùn)時(shí)的相關(guān)性能導(dǎo)致散粒噪聲的抑制。比如：遵守費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的簡并電子系統(tǒng)中的泡利原理；短程庫侖互作用即電子電子間的散射，在擴(kuò)散導(dǎo)體中產(chǎn)生的散粒噪聲抑制；另外，長程庫侖作用（通過自洽電勢(shì)）也使載流子之間產(chǎn)生相關(guān)性[2-5,7]。由于散粒噪聲比直流特性（即低頻電導(dǎo)）能夠提供更多的系統(tǒng)內(nèi)部信息，散粒噪聲測試與分析已經(jīng)成為研究低維和介觀器件中電子傳輸?shù)囊豁?xiàng)基本工具。例如，散粒噪聲檢測可以用于確定準(zhǔn)粒子的分?jǐn)?shù)電荷值、Luttinger參數(shù)、有效超導(dǎo)電荷值、原子接觸點(diǎn)的量子傳輸模型以及遂穿機(jī)制等等[2,3,7]。為了
4、理解介觀結(jié)構(gòu)散粒噪聲產(chǎn)生與抑制的機(jī)理，本文在Landauer公式的基礎(chǔ)上，采用MonteCarlo方法模擬電子通過特定納米結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘的電子輸運(yùn)過程。所采用的模擬方法可直接得到相干介觀系統(tǒng)中電流噪聲的時(shí)間序列，其平均值為平均電流，自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換為噪聲功率譜。將該方法應(yīng)用于量子混沌腔電子輸運(yùn)模擬，對(duì)比模擬結(jié)果與解析理論結(jié)果，以驗(yàn)證模擬方法的正確性。最后，應(yīng)用該模擬方法研究了相干介觀系統(tǒng)中散粒噪聲的產(chǎn)生與抑制機(jī)理。2.基本模型Laudauer公式的特點(diǎn)是用系統(tǒng)的散射特性來表示電導(dǎo)，適用于不同材料或不同幾何形狀的導(dǎo)體連接組成系統(tǒng)時(shí)的電導(dǎo)[
5、9]，（1）表示自旋簡并度，為傳輸本征值，其物理意義為某個(gè)通道的透射概率。Laudauer公式的適用條件是線性響應(yīng)區(qū)[9,10]，如圖1所示，散射區(qū)中的方形表示通道，此時(shí)電子在各個(gè)通道上的傳輸相互獨(dú)立。Laudauer公式不僅是極為有用的計(jì)算工具，而且可以合理地解釋普適電導(dǎo)漲落和量子化電導(dǎo)等諸多介觀物理現(xiàn)象，并且預(yù)測出電導(dǎo)平臺(tái)處散粒噪聲為零等一些有趣的物理現(xiàn)象。圖1電子在多通道中傳輸?shù)氖疽鈭D電子在散射部分的通道中是相干輸運(yùn)，而在接觸部分載流子的相位是隨機(jī)化的，接觸部分的載流子可以通過一維理想引線的通道注入到散射部分[9]。此處考慮的是散射
6、部分的尺寸小于相位相干長度，只考慮相干輸運(yùn)。如圖1所示，左右接觸部分是處于熱平衡的電子庫，其化學(xué)勢(shì)分別為和，且（以保證系統(tǒng)處于Laudauer公式成立的線性響應(yīng)區(qū)）。在偏壓作用下，少數(shù)電子通過散射區(qū)域的輸運(yùn)不影響電子庫中的熱平衡。為了抑制熱噪聲對(duì)散粒噪聲的干擾，實(shí)驗(yàn)總是在極低的溫度下測量散粒噪聲。在低溫環(huán)境中，介觀系統(tǒng)中的熱漲落遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于散粒噪聲漲落。圖1中所示的通道具有確定的橫向模式，考慮電子只在能量最低的一個(gè)電子通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況[10]：（2）是電子濃度，是電子的態(tài)密度，是電子電荷，對(duì)于一維運(yùn)動(dòng)的電子態(tài)，有，速度，化學(xué)勢(shì)之差，為偏壓。系
7、統(tǒng)處于線性響應(yīng)區(qū)，透射系數(shù)對(duì)于能量的依賴關(guān)系可以忽略。由此可見電流大小與電子運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，這正是一維運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。如果考慮自旋簡并度，則，這就是單通道的Landauer電流公式。推導(dǎo)過程中雖然忽略了電子在散射區(qū)另一端反向傳輸?shù)挠绊懀窃诘蜏叵略撌绞钦_的。這是由于低溫時(shí)注入電子的能量上升到就能進(jìn)入左引線，注入電子的能量上升到就能進(jìn)入到右邊引線，電流表達(dá)式為：（3）在短程庫侖排斥作用可以忽略的情況下，很容易觀察到單通道量子輸運(yùn)的電流漲落[9]。不妨假設(shè)參與輸運(yùn)的電子具有相同的自旋方向（即自旋極化輸運(yùn)），從而每個(gè)通道每次只能輸運(yùn)一個(gè)電子。這種
8、單通道的情況可以通過耗盡異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣來實(shí)現(xiàn)。能量高于費(fèi)米能級(jí)而低于的電子以頻率試圖穿越散射區(qū)，在時(shí)間段內(nèi)，試圖穿越的次數(shù)為,其中，為外加偏壓[3,9]。在零溫度下，電子占據(jù)能量低的狀態(tài)
