El ruido de fonón , también conocido como ruido de fluctuación térmica , surge del intercambio aleatorio de energía entre una masa térmica y su entorno circundante. Esta energía se cuantifica en forma de fonones . Cada fonón tiene una energía de orden, dónde es la constante de Boltzmann yes la temperatura . El intercambio aleatorio de energía conduce a fluctuaciones de temperatura. Esto ocurre incluso cuando la masa térmica y el medio ambiente están en equilibrio térmico , es decir, a la misma temperatura promedio en el tiempo. Si un dispositivo tiene una resistencia eléctrica dependiente de la temperatura , estas fluctuaciones de temperatura conducen a fluctuaciones en la resistencia. Ejemplos de dispositivos en los que el ruido de los fonones es importante incluyen bolómetros y calorímetros . El sensor de borde de transición superconductor (TES), que puede funcionar como un bolómetro o un calorímetro, es un ejemplo de un dispositivo en el que el ruido fonónico puede contribuir significativamente al ruido total. [1]
Aunque el ruido de Johnson-Nyquist comparte muchas similitudes con el ruido de fonón (por ejemplo, la densidad espectral del ruido depende de la temperatura y es blanca a bajas frecuencias), estas dos fuentes de ruido son distintas. El ruido de Johnson-Nyquist surge del movimiento térmico aleatorio de los electrones , mientras que el ruido de fonones surge del intercambio aleatorio de fonones. El ruido de Johnson-Nyquist se modela fácilmente en equilibrio térmico , donde todos los componentes del circuito se mantienen a la misma temperatura. Un modelo de equilibrio general para el ruido fonónico suele ser imposible porque los diferentes componentes del circuito térmico no son uniformes en temperatura y, a menudo, tampoco son invariantes en el tiempo , como en la deposición ocasional de energía de las partículas que inciden en un detector. El sensor de borde de transición típicamente mantiene la temperatura a través de retroalimentación electrotérmica negativa asociada con cambios en la energía eléctrica interna. [1]
Una fórmula aproximada para la potencia equivalente al ruido (NEP) debido al ruido de fonón en un bolómetro cuando todos los componentes están muy cerca de una temperatura T es
donde G es la conductancia térmica y el NEP se mide en. [2] En detectores calorimétricos, la resolución de energía rms debido al ruido fonónico cerca del cuasi-equilibrio se describe usando una fórmula similar,
donde C es la capacidad calorífica. [3]
Un bolómetro o calorímetro real no está en equilibrio debido a un gradiente de temperatura entre el absorbedor y el baño. Dado que G y C son generalmente funciones no lineales de la temperatura, un modelo más avanzado puede incluir la temperatura tanto del absorbedor como del baño y tratar G o C como una ley de potencia en este rango de temperatura.
Ver también
Referencias
- ^ a b K.D. Irwin y GC Hilton (2005). Enss, C. ed. "Sensores de borde de transición" . Detección de partículas criogénicas (Springer): 63–150 ISBN 3-540-20113-0 , doi : 10.1007 / 10933596_3 .
- ^ JC Mather . (mil novecientos ochenta y dos). "Ruido de bolómetro: teoría del desequilibrio". Apl. Optar. (21): 1125–1129. doi : 10.1364 / AO.21.001125
- ^ SH Moseley, JC Mather y D. McCammon (1984). "Detectores térmicos como espectrómetros de rayos X". J. Appl. Phys. (56): 1257–1262 doi : 10.1063 / 1.334129 .