מעשה בשלושה רעשים

מערכות האלקטרוניקה סובלים מרעשים ברמה הננומטרית, וחשוב לתכנן נכון כדי שניתן יהיה לפתח מעגלים חשמליים זעירים יותר

זה סיפור שמתחיל לפני כמאה שנים, כאשר הפיסיקאי וולטר שוטקי הסביר את עקרון הפעולה של שפופרת ריק (ואקום), שזרם של אלקטרונים עובר בה בין שני מגעים (אלקטרודות) המופרדים בריק. במחקריו אלה, גילה שוטקי רעש אלקטרוני שנובע מהאופי החלקיקי של האלקטרונים, ומכך שזרימתם אינה אחידה: כאשר מופעל מתח חשמלי בין המגעים בשפופרת הריק, רק חלק מהאלקטרונים מצליחים לעבור ממגע למגע, בעוד שחלקם נהדפים לאחור. חוסר האחידות הזה יוצר מעין "מרווחים" בין האלקטרונים הזורמים, תופעה המחוללת רעש שמפריע לזרימת המידע במערכת. הרעש הזה מכונה "רעש שוט" והוא משמעותי במוליכי חשמל ובהתקנים אלקטרוניים (טרנזיסטורים, דיודות ועוד) בסדר גודל ננו-מטרי. רעש שוט נעשה משמעותי יותר ככל שממזערים את ההתקנים האלקטרוניים (כפי שקורה, למשל, בתעשיית המחשבים).

כעשור לאחר גילויו של שוטקי, התברר שבמערכות אלקטרוניות קיים רעש מסוג נוסף, שנובע מתנודות אקראיות של האלקטרונים, שעוצמתן תלויה בטמפרטורה. רעש תרמי זה מתחולל בכל המערכות האלקטרוניות, גדולות וקטנות כאחד. מאז ועד היום, ידעו מתכנני המערכות האלקטרוניות שעליהם להתמודד עם שני סוגי רעש אלה.

במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature, דיווחו באחרונה פרופ' אורן טל וחברי קבוצת המחקר שלו במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון, כי גילו שבמערכות אלקטרוניות קיים רעש נוסף, שלישי במספר, הנובע מחוסר שיווי משקל תרמי (הפרשי טמפרטורות) במערכת. התוצאה דומה לרעש השוט שגילה שוטקי, אלא שהוא לא נוצר כתוצאה מהפעלת מתח, ומקורו תרמי. המחקר בוצע במערכת שנבנתה כצומת מולקולרי המבוסס על מולקולת מימן התלויה כמעין גשר בין שני מגעים אלקטרוניים. זהו, למעשה, ההתקן האלקטרוני הקטן ביותר שאפשר לבנות כיום.

פרופ' טל אומר שגילוי הרעש החדש עשוי לאפשר מדידת הפרשי טמפרטורה בחלקים שונים של מערכות זעירות, בסדר גודל ננו-מטרי ללא צורך במדי טמפרטורה זעירים. יכולת זו חשובה למחקר על המרה יעילה של חום לחשמל באמצעות מבנים ננו-מטריים, לפיתוח מנועים קוונטיים זעירים או למחקר על פיזור חום יעיל בהתקנים אלקטרוניים ננו-מטריים המשמשים במזעור מערכות ממוחשבות ומערכות אלקטרוניות בכלל.

התגלית החדשה חשובה לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה גם בהקשר אחר: במעגלים אלקטרוניים מתפתחים פעמים רבות הפרשי טמפרטורות באופן לא מתוכנן. על כן הרעש שהתגלה צפוי להיווצר במעגלים אלו ואף עלול להיות משמעותי יותר עם התקדמות המזעור. עד כה המהנדסים לא היו מודעים לרעש זה, אך גילויו של ה"אויב" החדש יאפשר להם להתמודד עם תופעה זו באופן מושכל, לדוגמה, באמצעות תכנון שמתמקד בהפחתת הפרשי טמפרטורה במעגלים אלקטרוניים.