Ultra-low-noise transimpedance amplifier with a single HEMT in pre-amplifier for measuring shot noise in cryogenic STM

摘要: 本文提出了一种用于低温扫描隧道显微镜(CryoSTM)的跨阻放大器(TIA)设计方案。在CryoSTM中带有尖端样品成分的TIA称为CryoSTM-TIA。该CryoSTM-TIA的跨阻增益在1Gohm，而其带宽大于300kHz。所提出的CryoSTM-TIA的独特特点是其前置放大器由单个低温高电子迁移率晶体管(HEMT)制成，因此在100kHz时仪器等效输入噪声电流功率谱密度低于4(fA)²/Hz。此外，应用“偏置冷却法”可用于原位控制HEMT掺杂区冻结DX^-中心的密度，改变其结构以降低器件噪声。利用该仪器，可以进行高能量分辨率的快速扫描隧道光谱测量。并且，它能够测量各种量子系统在原子尺度上的扫描隧道散粒噪声谱(STSNS)，即使散粒噪声非常低。它为通过测量STSNS来研究新的量子态提供了一个强大的工具，例如检测拓扑量子系统中马约拉纳束缚态的存在。