Дробовой шум исторически был открыт, когда изучали еще ламповые приборы, и суть явления достаточно проста. Он связан с тем, что переносчиком заряда является отдельный электрон с зарядом e, например. Текущий ток можно представить себе как поток электронов. Если бы поток электронов представлял собой жидкость, текущий заряд, как мы можем себе представлять ток? Если мы представим себе ламинарное движение электронной жидкости, то в среднем по времени, если мы смотрим не на микроскопический масштаб тока, он практически не флуктуирует — течет и течет.

Однако нужно вспомнить, что на самом деле ток — это поток электронов и каждый из них имеет заряд e. Перескочил один электрон, среднее значение тока — произошел импульс тока. Еще один электрон перескочил — возник еще один импульс тока. Если мы заглянем на микроскопический уровень и посмотрим, как по времени ведет себя ток в лампе, то увидим, что это набор импульсов, каждый из которых есть протекший заряд e. Интеграл под этим импульсом всегда одинаковый и равен заряду электрона. И поэтому за счет того, что у нас есть дискретные заряды, за счет того, что ток протекает скачками, элементарными зарядами e, возникает шум. Ток существует ненулевой не только средний от тока, но и квадрат среднего ненулевой. Происходит шум, и он называется дробовым потому, что если мы подключим в эту систему динамик, то услышим характерный шум, похожий на то, как падают дробинки. Образное название.

Почему это явление интересно, когда мы говорим о том, что оно есть в сверхпроводниках? И почему именно в ультратонких, квазиодномерных сверхпроводниках? Мы представляем себе сверхпроводимость так. Возьмем кусок металла и начнем охлаждать. Если мы сделаем в системе очень низкую температуру, то за счет взаимодействия между электронами, обусловленного обменом фононами, электроны притягиваются и хотят образовать пары. То есть они хотят спариться и при такой температуре электронам выгодно спариться — сконденсироваться. Образуется конденсат куперовских пар. Он ведет себя когерентным образом, и это означает, что разные части этой системы чувствуют друг друга. Если мы в такой системе захотим посмотреть, как будет протекать ток или как будут происходить процессы переноса, то окажется, что конденсат плавно перетек из одной точки в другую. Никаких особенностей нет, и никакого дробового шума здесь, казалось бы, быть не может.

Однако оказывается, что если мы рассмотрим квазиодномерные системы, то ситуация немного поменяется. Давайте рассмотрим тонкий сверхпроводящий провод, и пусть сквозь него течет какой-то ток. Поскольку у нас сверхпроводимость, то никакого напряжения на концах этого провода не возникает. Но если мы рассмотрим тонкие квазиодномерные сверхпроводники, то в них есть явление проскальзывания фазы. Если температура низкая, то это квантовое явление проскальзывания фазы. Это такой процесс, при котором флуктуационным образом в какой-то момент в какой-то точке этого провода на малое время исчезает сверхпроводимость, а фаза параметров порядка, которая описывает этот конденсат куперовских пар, может скакнуть на 2π. Поскольку фаза параметров порядка определена с точностью до 2π. Этот скачок приводит к возникновению импульса напряжения. Потому что у нас есть соотношение Джозефсона, которое связывает изменение по времени от фазы параметра порядка и напряжения. И поскольку, как я уже сказал, скачок происходит ровно на 2π, то интеграл от этого импульса напряжения равен 2π.

Рекомендуем по этой теме:
1672
Диссипативный фазовый переход

Как электрон, который пролетел сквозь лампу, создал такой импульс тока, что интеграл под ним равен заряду электрона, точно так же и проскальзывание фазы создало импульс напряжения, интеграл от которого равен ровно 2π с точностью до некоего коэффициента. Поэтому в таком тонком квазиодномерном проводе возникает импульс напряжения, такие узкие импульсы, которые очень похожи на импульс электронов в электронной лампе, и эти импульсы приводят к возникновению дробового шума в данной системе. Если в первом случае у нас был шум током, ток флуктуировал, то здесь это флуктуация напряжения. Более того, можно показать теоретически и экспериментально, что такие импульсы приводят к возникновению ненулевого сопротивления сверхпроводящего провода, то есть среднее напряжение будет отлично от нуля. Но интереснее, что возникает дробовой шум, который связан с тем, что эти импульсы имеют одинаковую форму и они представляют собой узкие всплески напряжения.

Собственно этому явлению и была посвящена наша работа. Мы рассчитали это, выяснили, в каких системах удобно это наблюдать, в каких оно более явно, в каких менее явно. Это интересно с той точки зрения, что в настоящее время такого размера системы появляются и экспериментально исследуются, в том числе и как элементы современных квантовых датчиков или же элементы квантового компьютера других физических систем. Полное понимание природы явлений, которые происходят в этих системах, интересно и важно для будущих исследований.

Сейчас одно из очевидных прикладных значений исследования маленьких сверхпроводящих или гибридных структур из сверхпроводника и нормального металла — это элементы квантового компьютера. Например, квантовые биты, которые уже пытаются реализовывать на основе таких систем. Или же датчики, которые позволяют мерить там сверхмалые магнитные поля. Это все идет в русле того, что мы хотим сделать. Человечество хочет продвинуться и сделать миниатюрные устройства, которые будут либо измерять, либо делать какие-то квантовые вычисления, или вообще продвинуть электронику на более низкий по размеру уровень. И мы неизбежно сталкиваемся с тем, что все эти эффекты и явления начинают играть существенную роль.

Рекомендуем по этой теме:
12415
Применение сверхпроводников

Я не зря сказал, что это должны быть довольно тонкие квазиодномерные сверхпроводники, потому что если мы возьмем толстый сверхпроводник, то никаких таких явлений не будет, их вероятность будет почти что ноль, она будет экспоненциально мала. И поэтому физика пока на большом масштабе, на котором сейчас делаются эксперименты и уже что-то применяется, просто несущественна. Но как только мы начинаем миниатюризировать, то эта физика проявляется, и мы ее начинаем видеть. Она начинает нам где-то мешать, а где-то, наоборот, помогать. Некоторые явления можно использовать наоборот, чтобы сделать принципиально новое устройство.