Low-Noise Large-Bandwidth Transimpedance Amplifier for Measuring Scanning Tunneling Shot Noise Spectra in Cryogenic STM and its Applications

摘要: 散粒噪声是一个研究量子体系的强有力的手段。本文提出一种用于低温扫描隧道显微镜 (CryoSTM)的跨阻放大器(TIA)，可满足散粒噪声测量的需要。在该TIA中，前置放大器(Pre-Amp)由超低噪声低功率低温高电子迁移率晶体管(HEMTs)构成。以1Gohm的高跨阻增益，所设计的TIA的带宽超过300 kHz。在CryoSTM中，这个TIA连同针尖-样品组件和输入信号被称为CryoSTM-TIA。它的带宽仍然超过300kHz，并且它的等效输入噪声电流功率谱密度在100 kHz小于30 (fA)²/Hz。该CryoSTM-TIA能够用于测量扫描隧道电流谱和扫描隧道微分电导谱。本文又特别阐述了如何用该CryoSTM-TIA测量量子体系的扫描隧道噪声电流功率谱和散粒噪声谱。这就使得用低温CryoSTM-TIA通过测量散粒噪声来研究各种量子体系中的新奇量子现象成为可能，例如在局域尺度中的Andreev反射、在单分子磁体中的Kondo效应，等等。特别是把它用于研究与实现拓扑量子计算有关的Majorana零能模的存在性。