超晶格概念自1970年一提出，就被認(rèn)為是半導(dǎo)體物理領(lǐng)域一個(gè)具有里程碑意義的進(jìn)展，在80年代和90年代成為半導(dǎo)體物理十分熱門的研究領(lǐng)域。超晶格中微帶輸運(yùn)和量子阱之間的級(jí)聯(lián)共振隧穿會(huì)導(dǎo)致負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)，這使得超晶格成為一個(gè)理想的具有多個(gè)自由度的非線性系統(tǒng)。許多與空時(shí)非線性效應(yīng)相關(guān)的物理現(xiàn)象都能在超晶格中觀測(cè)到，如靜態(tài)電場(chǎng)疇、周期性自激振蕩、自發(fā)混沌振蕩等。一直以來，這些現(xiàn)象都只能在液氮溫區(qū)以下的低溫環(huán)境才能觀測(cè)到，嚴(yán)重地限制了超晶格器件的進(jìn)一步研究和實(shí)用化推廣。

蘇州納米所張耀輝研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)采用夏建白院士早年的理論計(jì)算結(jié)果[Phys. Rev. B, 41, 3117 (1990)]，通過優(yōu)化超晶格材料組分、器件結(jié)構(gòu)和器件制備工藝，在中科院半導(dǎo)體所馬文全研究員的分子束外延設(shè)備上生長(zhǎng)出所設(shè)計(jì)的GaAs/AlGaAs半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)，并首次在室溫下觀測(cè)到了超晶格的自發(fā)混沌振蕩[Chinse Science Bulletin, 57, 2070 (2012)]，并且觀測(cè)到了室溫下超晶格的準(zhǔn)周期自激振蕩[Appl. Phys. Lett., 102, 242107 (2013)]，首次在自治非線性系統(tǒng)（不含隨時(shí)間變化驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)周期自激振蕩，過去即使在低溫環(huán)境下都沒有觀測(cè)到過的物理現(xiàn)象。這是自1996年在液氦溫區(qū)發(fā)現(xiàn)超晶格自發(fā)混沌振蕩以來的重大突破，為超晶格器件的進(jìn)一步研究和實(shí)用化推廣鋪平了道路。

以上述室溫環(huán)境發(fā)現(xiàn)的基本物理現(xiàn)象研究為基礎(chǔ)，張耀輝研究員團(tuán)隊(duì)研制出超晶格自發(fā)混沌振蕩器。該器件在室溫下帶寬能達(dá)到幾百M(fèi)Hz甚至GHz以上，振蕩幅度能達(dá)到0.4伏，器件的直流偏置電壓不到5伏，功耗低，是非常理想的物理噪聲源，可用于開發(fā)高速真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。在此基礎(chǔ)上，張耀輝研究員團(tuán)隊(duì)通過與以色列Bar-Ilan大學(xué)物理系Kanter教授團(tuán)隊(duì)合作，利用超晶格混沌振蕩器作為寬帶物理噪聲源，采用數(shù)字信號(hào)處理的方法研制出能實(shí)用化的高速真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器系統(tǒng)，速度可達(dá)80Gbits/s，隨機(jī)性通過了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局所提供的標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試，此研究結(jié)果2013年7月26日在Physical Review Letter雜志上以“Highlight”形式發(fā)表[Phys. Rev. Lett. 111, 044102 (2013)]，同時(shí)美國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站主頁的“Physics”欄目對(duì)此以“Rapid-Fire Random Bits”為標(biāo)題作了專門介紹。

這種高速真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是基于超晶格混沌振蕩通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接把大信號(hào)噪聲轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)來形成，隨機(jī)數(shù)的質(zhì)量可以通過后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理來保障，與其它類型的物理噪聲源（如激光混沌、單光子噪聲、碰撞電離二極管等）相比，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、速度快、體積小、功耗低、成本低、對(duì)環(huán)境變化不敏感而耐干擾、易于與主系統(tǒng)兼容集成等優(yōu)點(diǎn)。蘇州納米所的超晶格混沌真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器已達(dá)到實(shí)用化水平，正在進(jìn)行實(shí)用化推廣。

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委及江蘇省科技廳的項(xiàng)目支持。

圖一：室溫自發(fā)混沌振蕩信號(hào)的頻譜圖，內(nèi)置為100ns時(shí)長(zhǎng)的信號(hào)時(shí)域圖。

圖二：周期振蕩（A）和準(zhǔn)周期振蕩（B）（C）時(shí)域圖及頻譜圖。