Bruset i mikrovågsförstärkare begränsas av värmens kvantpartiklar

Forskare på bland annat Chalmers har visat hur bruset i en förstärkare begränsas av egenvärmning vid mycket låga temperaturer. Resultaten presenteras nu i den högrankade tidskriften Nature Materials. De kan få betydelse för framtida upptäckter inom många vetenskapsområden, från kvantdatorer till radioastronomi.

Många av de viktigaste upptäckterna inom fysik och astronomi bygger på att vi kan registrera en knappt detekterbar elektrisk signal i mikrovågsområdet. Ett exempel är upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningen, som bekräftade den berömda Big Bang-teorin. Ett annat exempel är mottagning av data från vetenskapliga instrument på rymdsonder på väg till fjärran planeter, asteroider eller kometer.

Svaga mikrovågssignaler detekteras med transistor-baserade lågbrusiga förstärkare. Nu har forskare på Chalmers optimerat transistorer, tillverkade i materialet indiumfosfid, i en speciellt framtagen halvledarprocess för ändamålet. Ett avknoppningsföretag från Chalmers, Low Noise Factory, har designat och paketerat förstärkarkretsar.

– Genom att kyla förstärkarmoduler till -260 grader Celsius kan vi få dem att fungera med det högsta signal-till-brus-förhållandet som idag är möjligt, säger Jan Grahn, professor i mikrovågsteknik på Chalmers. Dessa avancerade kylda förstärkare har stor betydelse för detektion av signaler inom en mängd vetenskapsområden, från kvantdatorer till radioastronomi.

Forskarna har via experiment och simuleringar undersökt vad som händer med en mikrovågstransistor när den kyls till någon tiondels grad ovanför absoluta nollpunkten (-273 grader Celsius).  Vid dessa extremt låga temperaturer har det ansetts att bruset i en transistor begränsas av så kallade heta elektroner. Men den nya studien visar att bruset i stället begränsas av egenvärmning i transistorn.

Egenvärmning hänger samman med fononstrålning i transistorn vid mycket låga temperaturer. Fononer är kvantpartiklar som beskriver värmeledningsförmågan i material. Resultaten i studien bygger på en kombination av experimentella brusmätningar och simuleringar av fononer och elektroner i halvledartransistorn vid låga temperaturer.

– Studien är viktig dels för vår grundläggande förståelse för hur halvledartransistorn fungerar nära absoluta nollpunkten, dels för hur vi ska konstruera ännu känsligare lågbrusiga förstärkare för framtidens mottagare inom fysik och astronomi, säger Jan Grahn.

Forskningen har utförts som en del i ett internationellt forskningsutbyte mellan Chalmers och California Institute of Technology. Medförfattare är Universitetet i Salamanca och företaget Low Noise Factory i Mölndal. Studien har utförts inom Gigahertz Centrum, ett samarbete mellan Chalmers och företag i Vinnovas Vinn Excellence program.

Bildtext: Tvärsnitt av en lågbrustransistor. Elektronerna som accelereras i kanalen under den 100 nanometer långa gaten krockar och avger värme som begränsar transistorns ultimata brusförmåga. Illustration: Lisa Kinnerud och Moa Carlsson, Krantz NanoArt.

Studien Phonon black-body radiation limit for heat dissipation in electronics publiceras den 10 november i Nature Materials.

För mer information, kontakta:
Jan Grahn, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, 0730-34 62 99, jan.grahn@chalmers.se