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ジョンソン・ナイキスト・ノイズの歴史: この発見は私たちのテクノロジーをどのように変えましたか?
エレクトロニクスの歴史において、ジョンソン ナイキスト ノイズという種類のノイズが遍在していると考えられています。この電子ノイズは、高温粒子の動きによって発生し、印加電圧に関係なく存在するため、すべての電子回路で避けられないものとなっています。このノイズの影響は、ラジオ受信機などの敏感な電子機器で特に顕著であり、弱い信号が湿気によって埋もれ、電気測定器の感度が制限される可能性があります。テクノロジーが進歩するにつれて、このノイズをどのように管理して低減するかという問題は興味深いものであり、ジョンソンとナイキストはそれに貢献してきました。
ジョンソン ノイズは、導電体内の荷電キャリア (通常は電子) の熱運動によって生成され、電圧の印加の有無にかかわらず平衡状態で発生します。
熱雑音の歴史
熱雑音の歴史は、アルバート アインシュタインがその年の有名な出版物の中で熱揺らぎの観点からブラウン運動を初めて説明した 1905 年に遡ります。翌年、彼はこの現象を熱励起電流の理論の導出にも使用できると提案したが、計算は完了せず、検証不可能な理論として扱った。しかし、時間が経つにつれて、この理論は実際に応用され、発展してきました。
1912 年、ヘルマン ローレンツの娘ガートルード デ ハース ローレンツは、アインシュタインの確率論を拡張し、博士論文で初めて電子に適用しました。熱電流の二乗平均値の公式を研究して導き出しました。 1918 年、ウォルター H. ショットキーは熱雑音の研究中に、別のタイプの雑音である射撃雑音を偶然発見しました。 1927 年後半、フリッツ ゼルニックは高感度検流計のテストで熱雑音について同じ結論に達しました。彼は、騒音は本質的に熱的なものであると結論付けました。
ナイキストは 1928 年の論文で、熱力学と統計力学の原理を使用してジョンの実験結果を説明し、この発見はその後のエレクトロニクスの発展に大きな影響を与えました。
現代技術における熱雑音の応用
電子技術の進歩に伴い、敏感な電子機器におけるジョンソン ナイキスト ノイズの影響がますます注目されるようになりました。場合によっては、このノイズが測定の主要な制限要因になることさえあります。したがって、電波望遠鏡受信機などの多くの敏感な電子デバイスは、信号対雑音比を改善するために数ケルビン程度の低温に冷却されることがよくあります。
測定と応用
さらに、ジョンソン ナイキスト ノイズの特性は、ジョンソン ノイズ熱量計として知られる精密測定技術にも使用されています。 2017 年、米国国立標準技術研究所 (NIST) はこのテクノロジーを使用して、3 ppm 未満の精度でボルツマン定数を測定しました。これにより、ボルツマン定数が実験的に測定可能な定数になっただけでなく、2019 年のケルビンの再定義の基礎も築かれました。
今後の課題と展望
しかし、技術は大きく進歩しましたが、電子機器の感度を向上させるためにノイズをさらに低減する方法は依然として重要な課題です。また、多くの研究者は、熱雑音によってもたらされる課題を克服し、より高精度の測定を達成することを期待して、新しい材料や新しい構造を探索しています。
将来のテクノロジーの課題に直面して、電子システムでジョンソン ナイキスト ノイズを効果的に制御および低減できるかどうかは、より高感度で効果的な電子テクノロジーを決定する上で重要なシンボルとなります。
最終的には、技術開発の過程で、ジョンソン ナイキスト ノイズの知識をより効率的な応用技術に変換し、機器の性能への影響を軽減する方法は、多くの科学者が直面しなければならない課題です。
