Från glödlampor till mobiltelefoner, alla elektroniska enheter i vardagen förlitar sig på elektronflödet för att fungera. Precis som forskare använder meter för att beskriva längden på ett föremål eller sekunder för att mäta tidens gång, de använder ampere, eller ampere, att kvantifiera elektrisk ström—hastigheten med vilken elektrisk laddning rör sig genom en krets.

I vardagen, du kan säkert använda en hårtork eller brödrost utan att veta exakt hur många elektroner som flödar genom den varje sekund. Men forskare på fysikens gränser måste ha en exakt definition av ampere för att upptäcka när experiment oväntat avviker från teoretiska förutsägelser.

"När tekniken fortskrider, många mätningar som vi inte kunde göra innan de blev tillgängliga, och då kan du ha extremt högprecisionsmätningar, " sa Fermilab-forskaren Javier Tiffenberg. "Så du vill ha en definition av enheten som är mycket mer exakt än vad du än försöker mäta."

I årtionden, forskare har kämpat för att uppnå den nödvändiga precisionen för amperen. Men nu, en enhet som kallas skipper CCD, utvecklad av Tiffenberg och hans medarbetare på Fermilab och Lawrence Berkeley National Laboratory Microsystems Lab, kan utlösa ett framsteg inom mätvetenskap.

Räkna elektroner, en och en

Två strömförande ledningar utövar en kraft på varandra som beror på avståndet mellan ledningarna samt strömmens värde. Tills nyligen, 1 amp definierades som strömmen som skulle leda till att två oändligt långa ledningar placerade parallellt med varandra med en meters avstånd från varandra att uppleva en kraft på exakt 0,2 miljondelar newton per meter längd.

Men den definitionen oroade det vetenskapliga samfundet - ett experiment som kräver oändligt långa ledningar är omöjligt att utföra. Andra basenheter hade också otillfredsställande definitioner:Till exempel, kilogram definierades vara massan av en viss metallcylinder i ett valv nära Paris. Så 2019, Generalkonferensen om vikter och mått antog nya definitioner för fyra av de sju basenheterna i International System of Units, eller SI, inklusive kilogram och ampere.

"Nu är tanken att koppla alla enheter till fundamentala konstanter i universum, "Tiffenberg sa." När det gäller ampere, länken görs genom laddningen av elektronen. "

Ändå kvarstår ett problem:laddningen av en enskild elektron är minimal. Enligt den nya definitionen, strömmen som genereras av en enstaka elektron som passerar en given punkt varje sekund är exakt 1,602176634×10-19 ampere, eller mindre än 2 tiondelar av en miljarddels miljarddels förstärkare. Många experter säger att ett instrument för att kalibrera definitionen av ampere måste generera en ström på minst 1 mikroamp, eller 1 miljonedel av en förstärkare, medan man räknar enskilda elektroner — biljoner av dem varje sekund. Ingen sådan enhet finns ännu.

Gå in i Fermilabs skipper laddningskopplade enhet, som bygger på förbättringar som gjordes på 1990-talet av standard CCD:er. Pixlar anslutna i ett rutnät lagrar de elektroner som produceras när ljus träffar dem. Därefter skickas elektronerna till en detektor som mäter laddningen som finns i varje pixel.

Används ofta i digitalkameror och vetenskapliga instrument, standard CCD:er kan mäta laddningen i varje pixel endast en gång innan informationen förloras. Skipper CCDs, å andra sidan, kan mäta varje pixel upprepade gånger med en hastighet av 100 gånger per millisekund. Detta tillåter skeppare -CCD:er, till skillnad från vanliga, att räkna enskilda elektroner.

"Eftersom dessa mätningar är oberoende, bara genom att ta många, många prover och ett genomsnitt av dem, du kan minska osäkerheten om hur mycket laddning som satt i pixeln, "förklarade Tiffenberg, som vann New Horizons in Physics Prize 2021 och URA Early Career Award 2020 för sitt arbete med CCD -skippare. "I princip, du kan minska detta till ett antal som är godtyckligt litet. Vi har gjort detta till osäkerhetsnivåer på 0,06 elektroner."

Tiffenberg och hans medarbetare startade skipper CCD-projektet med målet att upptäcka mörk materia, det mystiska ämnet som utgör cirka 85 procent av materien i universum. Vissa teorier förutspår att kollisioner med lätta partiklar av mörk materia skulle få enskilda elektroner att rekylera, som en skeppare CCD kunde upptäcka med extrem precision.

Nu när amperen definieras i termer av enstaka elektroner, forskare på Fermilab arbetar med att skala upp skepparens CCD -teknik för att nå den ström som behövs för en lyckad kalibrering av definitionen.

"Jag säger inte att det här kommer att bli lätt, men det finns ingen teoretisk begränsning, " sa Guillermo Fernandez Moroni, en postdoc på Fermilab som arbetar med skipper CCD.

Bygga en större strömkälla

I 2019 års omdefiniering av SI-enheterna, generalkonferensen om vikter och mått gav tre kandidatmetoder för att kalibrera ampere. De mest lovande gångjärnen på enelektrontransistorer, som, som skipper CCD, kan räkna enskilda elektroner. Men strömmen som produceras av dagens SET faller långt under tröskeln för en exakt kalibrering.

Den första generationen av skipper-CCD:er kan redan producera en större ström än SET. Tiffenberg och Moroni förväntar sig att framtida förbättringar kommer att göra det möjligt för dem att bygga skipper-CCD:er som genererar en ström så stor som 1 miljarddels ampere samtidigt som de räknar enskilda elektroner.

För att nå tröskeln på 1 mikroamp därifrån, forskare skulle behöva länka samman tusen skeppar-CCD:er. Detta, för, verkar genomförbart för Tiffenberg. Hans teams prototypdetektor för mörk materia innehåller ett hundratal skeppar-CCD:er. Medan SET måste kylas till några tusendelar av en grad över absoluta noll, skipper CCD:er kan arbeta vid minus 133 grader Celsius - en ljummen temperatur i jämförelse. Som ett resultat, att skala upp det senare är mer praktiskt.

Sålänge, Fermilab-forskare undersöker en mängd andra användningsområden för skeppar-CCD.

"Vi har lagt till många människor till denna insats, och nu är våra dagar fulla av möten. Varje dag är ett annat ämne kring skepparen, "sa Moroni, som fick URA Tollestrup Award 2019 för sin skipper CCD -forskning. "Måndag och onsdag är mörk materia, Onsdag och fredag ​​är neutriner, Tisdag är kvant, Torsdag är det astronomi och satelliter. Det är väldigt spännande."

Tiffenberg håller med om att skeppar-CCD:er har ett stort löfte för mätvetenskap och fysikforskning mer allmänt.

"Applikationerna verkar bara dyka upp överallt, så det är väldigt roligt, " han sa.