Молекулярные источники шума повысили чувствительность наноэлектронных устройств
Благодаря эффекту стохастического резонанса использование молекулярных источников шума позволило увеличить корреляцию между входящим и исходящим сигналом в электронных устройствах на основе углеродных нанотрубок. В качестве источников шума японские ученые предложили использовать молекулы фосфорномолибденовой кислоты. Работа опубликована в Applied Physics Letters.
В нелинейных бистабильных системах одним из необычных способов перехода между двумя устойчивыми положениями равновесия является стохастический резонанс — совмещение слабых внешних периодических колебаний с достаточно сильным случайным шумом. Такой эффект наблюдается, если для перехода необходимо преодолеть пороговое значение энергии, а амплитуды внешних колебаний для этого не хватает. В результате периодические колебания приводят систему в «подпороговое» состояние, а случайный шум доводит воздействие до уровня, необходимого для перехода в другое равновесное состояние.
Стохастический резонанс приводит к периодическим климатическим изменениям, в частности таянию ледников, и лежит в основе работы некоторых органов чувств у животных. Несмотря на то, что использование стохастического резонанса почти не требует энергии, в современных электронных устройствах его до настоящего момента не использовали.
В своем новом исследовании японские химики разработали устройство на основе углеродных нанотрубок и за счет эффекта стохастического резонанса сильно повысили его чувствительность. Углеродные нанотрубки сами по себе являются источником случайного шума, но чтобы его усилить, ученые дополнительно ввели в устройство молекулы фосфорномолибденовой кислоты H3PMo12O40. Такие молекулы прочно адсорбируются на углеродные поверхности (графит, графен или углеродные нанотрубки) и из-за возможного захвата электронов в свою структуру приводят к увеличению шума в сигналах электронных устройств на основе углеродных нанотрубок примерно на порядок.
В собранном электронном устройстве множество углеродных нанотрубок, как мостики, соединяло два хромовых электрода. На один из электродов подавался периодический сигнал с амплитудой 25 милливольт. Принципиально важным свойством нанотрубок является существование у них порога проводимости. Амплитуда подаваемого сигнала была ниже этого порога, и без дополнительного зашумления корреляция между поданным и измеренным сигналом или отсутствовала, или была очень слабой.
Оказалось, что использование молекулярных источников шума в виде молекул фосфорномолибденовой кислоты позволяет значительно повысить корреляцию между поданным и измеренным на выходе сигналами. По словам ученых, этого удалось добиться благодаря суммированию сигналов с каждой из множества нанотрубок. Для каждой нанотрубки характерна своя нелинейная вольт-амперная характеристика, и для каждой из них создается свой собственный источник шума, который помогает преодолеть свой собственный порог проводимости. Суммирование отдельных сигналов с каждой из нанотрубок, в которых этот порог был преодолен, и позволило получить сигнал, скоррелированный с входящим.
Таким образом ученые показали, что предложенный ими метод можно использовать для детектирования слабых периодических колебаний с очень маленькой амплитудой, которые находятся ниже порога проводящего режима.
Шум может приводить не только к периодическим изменениям за счет стохастического резонанса, но и к резким изменениям в неравновесных системах, определяя развитие системы после точки бифуркации. Такой эффект приводит, например, к извержениям вулканов.
Александр Дубов
Эксперименты с проверкой мартовского рекорда прошли научное рецензирование
Китайские физики попытались воспроизвести результаты по комнатной сверхпроводимости в легированном азотом гидриде лютеция при умеренном давлении, опубликованные в марте этого года их американскими коллегами. И хотя в новых экспериментах ученые увидели характерное изменение цвета, полученное их предшественниками, никаких признаков сверхпроводимости они не нашли. Ранее статья с результатами проверки была доступна лишь в виде препринта, но сейчас она прошла рецензирование и вышла в Nature. В марте этого года группа Ранги Диаса из Рочестерского университета опубликовала статью в журнале Nature, в которой утверждалось, что физики смогли получить комнатную сверхпроводимость при давлении в десять килобар для гидрида лютеция, легированного азотом. Это существенно меньше, чем предыдущий рекорд — миллион с лишним атмосфер, при которых сверхпроводит гидрит лантана при температуре, близкой к комнатной. В случае подтверждения другими группами результат группы Диаса существенно продвинет прогресс в поисках сверхпроводимости при более доступных для практического использования условиях. Авторы этой работы известны не только своими достижениями, но и пристальным вниманием коллег, которое привело к отзыву их предыдущей статьи. Тогда речь шла о сверхпроводимости твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 при 15 градусах Цельсия и 1,4 миллиона атмосфер. Подробности этой истории читайте в материале «Под давлением». Новое достижение группы Диаса тут же было подвергнуто тщательной ревизии и перепроверке со стороны других групп, в том числе и экспериментальных. Часть физиков, к примеру, смогла увидеть характерное изменение цвета материала при изменении давления, но никто пока так и не обнаружил сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом. До этого момента все попытки повторить результат группы Диаса представлены лишь в виде препринтов, то есть статей, не прошедших рецензирование. Первыми, кому удалось попасть на страницы крупного научного журнала, стали физики из университета Нанджунга под руководством Хайя Ху Вэня (Hai-Hu Wen). Метод, которым китайские физики синтезировали легированный азотом гидрид лютеция, слегка отличался от метода группы Диаса. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ и рамановская спектроскопия подтвердили, что все три образца, изготовленные авторами, имеют ту же структуру с едва заметным отличием в постоянной решетки. Эксперименты при высоких давлениях подтвердили эффект изменения цвета: с темно-синего через фиолетовый к розовому. Однако это у группы Хайя Ху Вэня это произошло при куда большем давлении — в диапазоне 2–41 гигапаскаля против 10–320 мегапаскалей у группы Диаса. Авторы исследовали в этом диапазоне проводимость и намагниченность, но не нашли свидетельств сверхпроводимости вплоть до двух кельвин — образец демонстрировал металлические свойства. Но вряд ли новая публикация напрямую приведет к отзыву предыдущей — такое возможно, только если она поможет найти методологические ошибки. Это не первый случай в физике, когда результаты исследований, опубликованные в престижнейших научных журналах, противоречат друг другу. Совсем недавно такое произошло в физике элементарных частиц: масса W-бозона, измеренная с помощью данных с Тэватрона, существенно отличилась от таковой, измеренной на БАКе. Обсуждению этой ситуации посвящен материал «Камешек в ботинке».