האלקטרונים הינם חלקיקים בסיסים, הנושאים יחידה אחת של מטען חשמלי. הדבר מעלה שתי שאלות מעניינות, האחת היא מהי אותה יחידה בסיסית, והשנייה, האם העובדה שהזרם החשמלי אינו רציף, אלא בעל אופי "גרגירי" כלומר מורכב מתנועה של אלקטרונים בודדים, משפיע על משהו שנוכל למדוד במעבדה
התשובה לשאלה השנייה הינה כן, ויתרה מכך, באמצעות מדידת האופי הגרגרי של הזרם החשמלי, ניתן גם להסיק מהו מטענו של כל גרגר, כל אלקטרון.
שיטה זו נקראת רעש ירייה (shot noise), והיא יושמה במקור בשנת 1914, על ידי מדען בשם schottky.
schottky, חימם קטודה בתוך שפופרת ואקום, לטמפרטורה כה גבוה, עד שהיא פלטה אלקטרונים, אשר נקלטו באלקטרודה אחרת ויצרו בה זרם חשמלי. תהליך פליטת האלקטרונים מן הקטודה הינו אקראי, האלקטרונים אינם נפלטים במרווחי זמן קבועים אלא יש שונות מסוימת בין זמנים אלו.
בעקבות שונות זו הזרם אינו קבוע בזמן, אלא משתנה במקצת, במילים אחרות הוא רועש. הרעש הזה נובע ישירות מן העובדה שהאלקטרונים מגיעים בצורה בדידה חלקיק אחר חלקיק, בעקבות תהליך אקראי, ולכן הוא יכול להעיד על המטען של האלקטרון. בפועל, אם אנו מודדים את הזרם הממוצע, ואת הרעש בזרם (השונות), היחס בין שניהם הינו פעמיים מטען האלקטרון (כאשר הזרם גבוה, כלומר טמפרטורת הקטודה גבוהה, והסיכוי של אלקטרון להיפלט מן הקטודה הינו גבוה, ואז אין צורך לקחת בחשבון תיקונים קוונטים למשוואה זו).
אם ברצוננו לקבל אינטואיציה טובה. דמינו לעצמכם שאתם עומדים מתחת לגג מפח בעת שיורד גשם. אותה כמות של גשם יכולה לרדת או במספר נמוך של טיפות ענקיות, או במספר גבוה מאד של טיפות קטנטנות. כלומר בין אם הגשם ירד במיליוני טיפות קטנות, או במספר טיפות ענק בודדות, תרד אותה כמות גשם ממוצעת (לאחר זמן רב ביחס לזמן נפילת הטיפות), אולם השונות בגשם תהיה גדולה מאוד. והרעש שתשמעו עקב פגיעת הטיפות בגג יהיה שונה לחלוטין בשני המקרים ותוכלו בקלות רבה להגיד האם הגשם יורד בטיפות גדולות או קטנות, על אף שממוצע הגשם זהה בשני המקרים. ולכן הרעש מעיד על "מטען המים" שמכילה כל טיפה.
שיטה זו הותאמה למדידות של ימינו, וכיום ניתן למדוד רעש ירייה גם במתקנים מסו-סקופים, כלומר התקנים קטנים מאוד. באמצעות מדידת רעש ירייה, נמדדים (במעבדה במכון וייצמן בעיקר) מטענים לא רק של חלקיקים כגון אלקטרונים, אלא גם מה שמכונה "קוואזי חלקיקים" כלומר חלקיקים שנוצרים כתוצאה מהתנהגות משותפת של אלקטרונים רבים. דוגמא לחלקיקים אשר מטענם נמדד בשיטה זו הינם האניונים באפקט הול הקוונטי השבור אשר תוארו במדור זה בעבר.
במדידות מסוג זה, מוזרם זרם חשמלי חסר רעש לתוך המערכת, ובאופן מלאכותי, החוקרים מציבים במסלול הרעש מכשול, כאשר כל חלקיק המגיע למכשול זה יכול לעבור אותו בהסתברות מסוימת או להיות מוחזר ממנו בהסתברות אחרת (סכום ההסתברויות מסתכם למאה אחוז). מאחר וזהו תהליך אקראי, לאחר המכשול הזרם רועש, ועל ידי מדידת רעש זה מסיקים החוקרים את מטענם של האניונים, אשר הינו גודל מעניין במיוחד, שכן הוא קטן ממטען האלקטרון
בתמונות - דגמים עליהם נמדד רעש היריה במכון ויצמן
שתי התמונות הללו הינן תמונות של דוגמא אשר באמצעתה ניתן למדוד רעש ישירה, הנלקחו באמצעות מיקרוסקופ אלקטורנים סורק (SEM) במכון וייצמן. בתמונה העליונה הדגם נראה בהגדלה נמוכה. אנו רואים מתכות (החלקים הבהירים יותר) הממקומות על גבי פניו של מוליך למחצה מסוג גליום-ארסנייד (אשר גם כן גודל במכון וייצמן). מתחת לפני השטח כלואים אלקטרונים כך שתנועתם מוגבלת לשני ממדים.
בתמונה התחתונה ניתן לראות את אותו הדגם בהגדלה גדולה יותר. זו ניתן לראות כבר את המכשול המופיע בדרכם של האלקטרונים, אלו הן שתי מתכות המקרבות אחת מאוד אל השנייה עד למרחק של כמחצית המיקרון (מיליונית המטר), כאשר מפעילים מתח חשמלי על מתכות אלו הן דוחות אלקטרונים, ונוצר מכשול המקשה על זרימת הזרם. כל אלקטרון אשר מגיע למכשול יכול לעבור אותו בהסתברות מסוימת או להיות מוחזר ממנו בהסתברות אחרת. בצד ניתן לראות מבנה בעל צורת שיני מסור, זהו המגע דרכו מוזרק הזרם החשמלי לדוגמא. ניתן לראות כי בדוגמא זו קיימים מספר מכשולים לאלקטרונים, החוקרים משתמשים בהם על מנת לכוון את זרימת הזרם בהתאם לתכנוניהם.
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.