ظاهرة

ضوضاء طلقة

ضجيج كهربائي ينشأ من الوصول العشوائي المنفصل للإلكترونات إلى تلامس أو حاجز.
7 مقالات ذات صلة

الوصف

ضجيج الطلقات هو التذبذب العشوائي في التيار الكهربائي الذي ينشأ لأن الشحنة تُحمل بواسطة جسيمات منفصلة—الإلكترونات—وليس كتدفق سائل مستمر. عندما تعبر الإلكترونات حاجزًا أو وصلة، تصل في أوقات عشوائية، مثل قطرات المطر التي تضرب السقف. حتى لو كان متوسط التيار ثابتًا تمامًا، فإن معدل الوصول اللحظي يتقلب، مما ينتج ضجيجًا كهربائيًا صغيرًا واسع النطاق لا يمكن تقليله بشكل أساسي.

التاريخ

وصف والتر شوتكي هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1918، وأطلق عليها اسم 'تأثير الشروت' (من الكلمة الألمانية التي تعني الطلقات الصغيرة أو الحبيبات)، أثناء دراسته للأنابيب المفرغة.

كيف يعمل

يكون التأثير أكثر وضوحًا عندما يتعين على الإلكترونات التغلب على حاجز طاقة واحدًا تلو الآخر، كما في صمام ثنائي مفرغ أو وصلة شبه موصلة من النوع p-n. كل إلكترون يعبر الحاجز يساهم بنبضة شحنة منفصلة. تتبع أوقات الوصول عملية بواسون، لذا فإن تباين التيار يتناسب مع متوسط التيار. وهذا يختلف عن الضجيج الحراري (جونسون)، الذي يعتمد على درجة الحرارة والمقاومة، وعن ضجيج الوميض، الذي له طيف ترددي مختلف.

في التطبيق

يضع ضجيج الطلقات حدًا أساسيًا لحساسية الكواشف البصرية ومكبرات الصوت الإلكترونية، ولكنه يُستغل أيضًا في التشفير الكمومي لتوليد أرقام عشوائية حقيقية.

حقيقة طريفة

في تيار كهربائي نموذجي شدته أمبير واحد، يمر حوالي 6.24 × 10^18 إلكترونًا في الثانية، ومع ذلك فإن التوقيت العشوائي لوصولها لا يزال ينتج إشارة ضجيج قابلة للقياس.

Concept graph →

مقالات ذات صلة · 7

يانصيب بلا جائزة كبرى: لماذا تكون خريطة الخلفية الثقالية فارغة في أغلب الأحيان
تخيل يانصيبًا تُوزع فيه الثقوب السوداء بدلًا من المال. كل تذكرة هي نقطة عشوائية في السماء، والجائزة هي موجة ثقالية ناتجة عن اندماج عملاقين. فرصة الفوز بالجائزة الكبرى ضئيلة، لكن إذا حالفك الحظ، ستُسمع الموجة في جميع أنحاء الكون. هكذا تعمل الخلفية الثقالية: همهمة تراكمية من اندماجات عديدة للثقوب السوداء فائقة الكتلة في أماكن بعيدة، تلتقطها شبكات التلسكوبات الراديوية التي تراقب النباضات.
أثر ناري في هواء رقيق
حجر صغير بحجم حبة عنب يدخل الغلاف الجوي بشكل شبه مماسي ويندفع فوق الأرض دون أن يسقط. هذا ما حدث تمامًا لنيزك كتلته حوالي 45 غرامًا. دخل الغلاف الهوائي للكوكب بزاوية منخفضة لدرجة أنه قطع 164 كيلومترًا على ارتفاع 92 كيلومترًا — حيث الهواء أرق بمليون مرة مما هو عند السطح. التقطت عشرات الكاميرات وثلاث محطات للرصد تحت الصوتي رحلته والموجة الصادمة التي أحدثها.
التفريغات الدقيقة: شرارات على طرف ذرة غبار
تعلق ذرة غبار في الهواء، ممسوكة بشعاع ضوء غير مرئي. حولها هواء عادي، لكن في بعض الأحيان يقفز شرارة صغيرة عبر ذرة الغبار. تمكن العلماء لأول مرة من فحص مثل هذه التفريغات عن قرب واكتشفوا أن ما يطلقها ليس ذرة الغبار نفسها، بل ضيوف غير مرئيين من الفضاء ومن الأرض. الملقط الضوئي (شعاع يمكنه حمل أجسام مجهرية) أمسك بذرة غبار بحجم بكتيريا.
الضجيج الذي يفضح الشحنة
التيار المار في سلك ليس أبدًا منتظمًا تمامًا. إذا أنصتّ إليه بانتباه كافٍ، تسمع حفيفًا — ضجيج الطلقات. ينشأ لأن الشحنة لا تنتقل كتدفق متصل، بل على شكل حصص منفصلة، مثل قطرات المطر على السطح. من طبيعة هذا الضجيج يمكن معرفة مقدار الشحنة التي تحملها كل «قطرة». قاس الفيزيائيون هذا الضجيج في تماس فائق التوصيل — جسر رفيع بين مادة فائقة التوصيل وطرف معدني.
النيوترونات تترك أثرًا
كاشف المادة المظلمة يشبه ميكروفونًا شديد الحساسية يستمع إلى الصمت. يلتقط دفعات حرارية متناهية الصغر — فونونات (phonons) — تنشأ عندما تصطدم جسيم ببلورة الكاشف. لكن بدلًا من الصمت، تسمع الأجهزة ضجيجًا لسنوات: عدد كبير من الإشارات الضعيفة التي تقل عن بضع مئات من الإلكترون فولت.
نقرة قبل الموعد
يتم نقل المفتاح السري في الاتصال الكمومي عبر فوتونات مفردة. من المستحيل التنصت على هذه القناة: أي محاولة اعتراض تدمر الجسيم وتترك أثرًا. لكن للفكرة نقطة ضعف — وهي المعدات الحقيقية التي تتصرف أحيانًا بشكل مختلف عما تنص عليه النظرية. كاشف الفوتونات المفردة يشبه جرس الباب الذي لا يستجيب فقط للضغط على الزر، بل أيضًا للطرق القوي على الحائط.
الضوضاء كأشعة سينية: كيف كشفت الضوضاء الناتجة عن التلامس بين موصل فائق وحديد عن موصلية فائقة ثلاثية مخفية
مرر تيارًا عبر تلامس بين موصل فائق ومغناطيس حديدي، وستسمع همس العالم الكمومي. في المختبر عند 0.3 كلفن، تحول هذا الهمس إلى زئير: الضوضاء الاندفاعية (shot noise) وهي ضوضاء كهربائية ناتجة عن تكميم الشحنة، كانت أعلى بمئة مرة مما تسمح به النظرية للتلامسات العادية.