由于纳米尺度设备的尺寸可与人类细胞相媲美，科学家们在材料特性方面取得了巨大的进展，结果是电子设备变得更小、更快、能效更高。然而，为了充分利用纳米技术的潜力，管理噪声仍然至关重要。来自瑞典查尔默斯理工大学的研究团队在理解噪声的基本限制方面取得了显著进展，这将极大地有利于未来的纳米电子学。
纳米技术正在迅速发展，受到通信和能源生产等多个领域的关注。在仅仅一百万分之一毫米的纳米尺度上，粒子根据量子力学原理运作。通过利用这些特性，可以设计材料以实现更高的导电性、磁性和能效。
“今天，我们正在见证纳米技术的实际效果；纳米尺度设备贡献了更快的技术，而纳米结构提高了能源生产材料的效率。”查尔默斯应用量子物理学教授雅尼娜·斯普莱特斯托瑟表示。
小于人类细胞的设备解锁创新的电子和热电特性
为了在单个电子级别控制电荷和能量流，研究人员利用比人类细胞更小的纳米尺度设备。这些纳米电子系统可以充当“微型发动机”，通过利用量子机械特性执行特定功能。
“在纳米尺度上，设备可以表现出全新且令人向往的特性。这些设备的大小可从人类细胞的百倍到万倍，能够设计出高效的能量转换过程，” 查尔默斯理工大学应用量子物理学博士生路多维科·泰瑟尔解释道。
解决纳米噪声：一项重要挑战
尽管取得了进展，噪声仍然是纳米技术研究进展中的一个主要障碍。这种干扰噪声是由于设备内部电荷和热效应的波动产生的，妨碍了它们的精确和可靠性能。尽管进行了大量努力，科学家们仍然难以确定在不影响能量转换的情况下可以消除多少噪声，我们对其基础机制的理解仍然有限。幸运的是，查尔默斯的研究小组实现了重要的突破。
在最近发表的一项研究中，该团队探讨了纳米尺度的热电热机。这些专用设备被设计用来管理和将废热转换为电能。
“所有电子设备都会产生热量，最近，已经投入大量精力来理解如何在纳米级别将这些热量转换为可用能量。微小的热电热机利用量子机械特性和非热效应，类似于微型发电厂，可以将热量转换为电能，而不是让其散失。”斯普莱特斯托瑟教授指出。
在纳米尺度热机中寻找噪声和能量之间的平衡
然而，纳米尺度的热电热机在面对较大的温度梯度时效率更高。这些温度差异增加了研究和理解噪声的复杂性。幸运的是，查尔默斯的研究人员揭示了热电热机中噪声水平与功率输出之间的关键关系。
“我们可以证明噪声存在一个基本的限制，直接影响‘发动机’的性能。例如，我们观察到，如果我们希望设备产生相当大的功率，则必须接受更高的噪声水平，并量化噪声的具体数量。这揭示了一个权衡：在从这些纳米尺度发动机中提取一定量的功率时，必须容忍多少噪声。我们希望这些洞察将指导未来更精确的纳米尺度热电设备设计，”路多维科·泰瑟尔说。
