Исследователи из России, Норвегии и США совершили важный прорыв в понимании природы универсального явления «шума 1/f» (фликкер-шум или шум мерцания в электронике), где f означает частотный компонент спектра сигнала, – шума с интенсивностью, обратно пропорциональной частоте.

Такое распределение шумов обнаруживается практически везде – от электронных устройств и усталости материалов до дорожного движения, распределения звёзд в галактиках и последовательностей ДНК. Нахождение общей причины этих явлений является одной из важнейших задач материаловедения. Теория, разработанная Валерием Винокуром из Отдела Материаловедения Национальной Лаборатории в Аргонне (Argonne National Laboratory, Materials Science Division) и его коллегами из Университета Осло (University of Oslo) и Физико-Технического Института им. Иоффе в Санкт-Петербурге, демонстрирует природу этого явления в полупроводниковой электронике и его нижний предел, что поможет улучшить существующие детекторы.

Шумы представляют собой отклонения сигнала от среднего значения во времени. Примером из жизни людей и животных может служить сердцебиение – здесь шум 1/f обнаруживается как отклонение от нормального пульса. В полупроводниковой электронике шумы возникают из-за случайного движения отдельных электронов, и когда система содержит мало электронов, эффект шума может быть критическим.

Исследователи показали, что шум в допированных полупроводниках, основе всей современной электроники, вызван случайным распределением примесей и взаимодействию большого числа электронов, окружающих их.

Рис. 1. Математическое моделирование шума

Электроны удерживаются в состоянии так называемого Кулоновского стекла, в котором они могут случайным образом перескакивать с места на место. Эти скачки и вызывают появление шумового сигнала с интенсивностью, обратно пропорциональной частоте. Обнаружив связь между шумом и состоянием Кулоновского стекла, исследователи провели курпномасштабное компьютерное моделирования. Оно показало, что подавление взаимодействий разрушает состояние Кулоновского стекла и приводит к исчезновению шума 1/f.

По словам Винокура, эта работа показывает, что такой шум является общим свойством Кулоновских стёкол, а также более широкого класса систем и явлений со случайным взаимодействием, от механических свойств материалов и электронных свойств устройств до флуктуаций потока на дорогах и в сети Интернет.

Василий Артюхов