Eeuwoude wet over elektrische ruis herschreven
Elektrische ruis kan nuttig zijn voor wetenschappers, maar juist hinderlijk voor elektronicafabrikanten. Ze delen wel de behoefte om de hoeveelheid ruis te voorspellen. Promovendus Sumit Tewari herschrijft nu een honderd jaar oude wet die ruis relateert aan stroom. Hij verdedigt zijn proefschrift op 27 maart.
We zien willekeurige fluctuaties in een elektrische stroom meestal als een ongewenst bijproduct van een signaal. Toch kan deze ruis nuttige informatie bieden, bijvoorbeeld over de overdracht van elektronen door een piepkleine geleider. In dat geval spreken natuurkundigen van hagelruis. Wetenschappers verzamelen informatie over elektronen als ze hagelruis produceren net zoals je informatie kan krijgen over hagelstenen als ze akoestische ruis produceren op een metalen dak. Hiervoor moeten onderzoekers de correcte relatie kennen tussen hagelruis en stroom. Sinds het begin van de vorige eeuw zijn ze ervanuit gegaan dat hagelruis altijd lineair toeneemt met de stroom. Sumit Tewari laat nu in zijn proefschrift zien dat dit onjuist is.
Verrassing
In het lab van zijn professor Jan van Ruitenbeek rekte Tewari een gouden draad zo ver uit dat er in het midden slechts één atoom overblijft, en zette het onder stroom. Tot zijn verrassing zag hij dat de hagelruis niet lineair bleef toenemen terwijl hij de stroom verhoogde. Sterker nog, op een gegeven moment zakte de ruis zelfs. ‘Dit kwam als een totale verrassing,’ zegt Tewari. ‘De data kwam binnen en we dachten: "Hebben we iets verkeerd gemeten?" Maar we konden de data verifiëren. Toen was het enige wat we nog konden doen iets bedenken dat de non-lineariteit verklaart.’
Afwijkingen
Tewari ontwikkelde een model waarin lokale onvolmaaktheden binnen de draad ervoor zorgen dat elektronen met elkaar interfereren, waarbij ze de nette lineaire relatie tussen ruis en stroom verknoeien. Dat is mogelijk omdat elektronen niet alleen deeltjes zijn; het zijn tegelijkertijd ook golven. Het model laat zien dat zolang er afwijkingen zijn, er nooit een lineaire relatie is.
Ruis minimaliseren
In tegenstelling tot natuurkundigen, zien elektronicafabrikanten ruis puur als hinderlijk. In de toekomst kunnen ze wellicht spelen met imperfecties binnen hun apparaten met gebruik van voorspellingen uit Tewari’s model. Op die manier minimaliseren ze dan de ruis precies op het voltage van het apparaat.