从受限离子动力学中分离$1/f$噪声

众所周知,离子通过生物和固态纳米通道的传输是一个高度噪声的过程。电流涨落的功率谱经验上已知随频率的倒数缩放,遵循由来已久却鲜被理解的Hooge定律。在此,我们报告了具有不同表面性质的纳米尺度二维通道上的电流涨落测量。发现涨落的结构依赖于通道的材料。在原始通道中,电流涨落以$1/f^{1+a}$缩放,其中$a = 0 - 0.5$,而活化石墨通道的噪声功率谱随频率呈现不同区间。基于这些观察,我们发展了直接联系离子动力学与电流涨落的理论形式。我们预测噪声功率谱取形式$1/f \times S_\text{channel}(f)$,其中$1/f$涨落出现在通道两侧的流体储库中,而$S_\text{channel}$描述其内部涨落。因此对Hooge定律的偏离可直接获取通道的离子传输动力学——解释了二维纳米通道实验中所观察到的全部现象。我们的结果展示了如何利用电流涨落来表征纳米尺度离子动力学。