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半導體超晶格研究獲進展
文章來源:未知     點擊數: 次     更新時間:2018-10-12 14:07

 據悉,最近由中國、西班牙和德國組成的研究團隊(中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、國防科技大學、西班牙皇家馬德里第三大學和德國 Paul-Drude 固體電子研究所),通過研究證明了利用噪聲,可以在一種由量子共振隧穿效應引起的具有多自由度非線性動力學系統的半導體超晶格器件中誘導出空間和時間序,用于檢測并放大高頻微弱信號。這種物理效應可以用來識別隱藏在強噪聲中的未知微弱信號;或者將有用的微弱信號嵌入到噪聲背景中并恢復出來,這樣可以對捕獲到的有用信號進行加密。例如,從噪聲環境中提取對話信號、進行天文觀測、雷達信號探測、圖像處理等。目前,其研究結果分別以兩篇連續論文的形式發表在國際刊物《物理評論快報》(簡稱 PRL )上,其中一篇側重于物理實驗研究 [ PRL 121 , 086806 ( 2018 ) ] ,另一篇側重于數值模擬的理論研究 [ PRL 121 , 086805 ( 2018 ) ] 。

 

該研究團隊將噪聲與微弱周期信號耦合應用于 Al 含量為 45% 的 GaAs/(Al,Ga)As 弱耦合超晶格非線性系統中,獲得了較為理想的物理結果。噪聲能促使靜止狀態的系統進入周期性振蕩模式,導致電流自激振蕩的頻率范圍在 100 MHz 左右,這被稱為相干共振;同時,基于離散的弱耦合超晶格級聯共振隧穿模型,進行的電子輸運數值模擬很好地再現了實驗結果。圖 1 給出了實驗和理論模擬得到的 振蕩峰間隔的標準方差和噪聲均方根值的關系圖。 進一步,在噪聲背景中疊加頻率接近電流自激振蕩頻率的微弱周期信號,非線性系統的相干共振模式會被這個疊加的微弱信號鎖相,把背景噪聲的能量轉換給微弱信號,既實現了微弱信號放大,同時又改善了信噪比,這種現象被稱為隨機共振 , 如圖 2 所示 。這種隨機共振可以作為被動鎖相放大器使用,用于探測和識別被噪聲背景淹沒的微弱信號,不需要參考信號,并且具有比傳統鎖相放大器更短的積分時間。目前,所有檢測微弱信號的方法都是基于已知參考信號,是主動探測模式而不是被動探測模式, 這樣就不能用于識別隱藏在強噪聲背景中的未知信號。典型的鎖相放大器需要幾十 Hz到MHz范圍的參考信號和毫秒量級的積分時間。在相干共振的寬頻率范圍內,利用超晶格器件的隨機共振效應,允許在沒有參考信號的情況下進行未知微弱信號的檢測與識別,并且可以顯著減少處理信號的積分時間。

 

該項工作由邵錚錚和殷志珍作為共同第一作者完成,得到蘇州納米所課題組內所有同事以及 M. Carretero , E. Mompo , S. W.Teitsworth 研究團隊的支持,得到中科院戰略先導專項( XDA06010705 )、國家自然科學基金( 61070040 和 61204093 )、國家重點研發計劃( 2016YFE0129400 )、探索項目( 7131266 )等的資助和支持。

 

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圖 1. 實驗和理論模擬得到的振蕩峰間隔的標準方差和噪聲均方根值的關系圖

 

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圖 2. 時域和頻域中,輸出信號與噪聲均方根值的關系圖

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