超晶格概念自1970年一提出，就被認為是半導體物理領域一個具有里程碑意義的進展，在80年代和90年代成為半導體物理十分熱門的研究領域。超晶格中微帶輸運和量子阱之間的級聯共振隧穿會導致負微分電導效應，這使得超晶格成為一個理想的具有多個自由度的非線性系統。許多與空時非線性效應相關的物理現象都能在超晶格中觀測到，如靜態電場疇、周期性自激振蕩、自發混沌振蕩等。一直以來，這些現象都只能在液氮溫區以下的低溫環境才能觀測到，嚴重地限制了超晶格器件的進一步研究和實用化推廣。

蘇州納米所張耀輝研究員帶領的研究團隊采用夏建白院士早年的理論計算結果[Phys. Rev. B, 41, 3117 (1990)]，通過優化超晶格材料組分、器件結構和器件制備工藝，在中科院半導體所馬文全研究員的分子束外延設備上生長出所設計的GaAs/AlGaAs半導體超晶格結構，并首次在室溫下觀測到了超晶格的自發混沌振蕩[Chinse Science Bulletin, 57, 2070 (2012)]，并且觀測到了室溫下超晶格的準周期自激振蕩[Appl. Phys. Lett., 102, 242107 (2013)]，首次在自治非線性系統（不含隨時間變化驅動的系統）實驗發現了準周期自激振蕩，過去即使在低溫環境下都沒有觀測到過的物理現象。這是自1996年在液氦溫區發現超晶格自發混沌振蕩以來的重大突破，為超晶格器件的進一步研究和實用化推廣鋪平了道路。

以上述室溫環境發現的基本物理現象研究為基礎，張耀輝研究員團隊研制出超晶格自發混沌振蕩器。該器件在室溫下帶寬能達到幾百MHz甚至GHz以上，振蕩幅度能達到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，可用于開發高速真隨機數發生器。在此基礎上，張耀輝研究員團隊通過與以色列Bar-Ilan大學物理系Kanter教授團隊合作，利用超晶格混沌振蕩器作為寬帶物理噪聲源，采用數字信號處理的方法研制出能實用化的高速真隨機數產生器系統，速度可達80Gbits/s，隨機性通過了美國國家標準局所提供的標準要求測試，此研究結果2013年7月26日在Physical Review Letter雜志上以“Highlight”形式發表[Phys. Rev. Lett. 111, 044102 (2013)]，同時美國物理學會網站主頁的“Physics”欄目對此以“Rapid-Fire Random Bits”為標題作了專門介紹。

這種高速真隨機數發生器是基于超晶格混沌振蕩通過高速模數轉換器，直接把大信號噪聲轉換成數字信號來形成，隨機數的質量可以通過后續的數字信號處理來保障，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，具有系統簡單、速度快、體積小、功耗低、成本低、對環境變化不敏感而耐干擾、易于與主系統兼容集成等優點。蘇州納米所的超晶格混沌真隨機數發生器已達到實用化水平，正在進行實用化推廣。

該項研究得到了國家自然科學基金委及江蘇省科技廳的項目支持。

圖一：室溫自發混沌振蕩信號的頻譜圖，內置為100ns時長的信號時域圖。

圖二：周期振蕩（A）和準周期振蕩（B）（C）時域圖及頻譜圖。