Van gloeilampen tot mobiele telefoons, alle elektronische apparaten in het dagelijks leven zijn afhankelijk van de stroom van elektronen om te functioneren. Net zoals wetenschappers meters gebruiken om de lengte van een object te beschrijven of seconden om het verstrijken van de tijd te meten, ze gebruiken ampères, of versterkers, om elektrische stroom te kwantificeren - de snelheid waarmee elektrische lading door een circuit beweegt.

In het dagelijkse leven, je kunt veilig een föhn of broodrooster gebruiken zonder precies te weten hoeveel elektronen er elke seconde doorheen stromen. Maar onderzoekers aan de grenzen van de natuurkunde moeten een nauwkeurige definitie van de ampère hebben om te detecteren wanneer experimenten onverwacht afwijken van theoretische voorspellingen.

"Naarmate de technologie vordert, veel metingen die we niet eerder konden doen, komen beschikbaar, en dan kunt u uiterst nauwkeurige metingen uitvoeren, "Zei Fermilab-wetenschapper Javier Tiffenberg. "Dus je wilt een definitie van de eenheid hebben die veel nauwkeuriger is dan wat je ook probeert te meten."

Al decenia, wetenschappers hebben geworsteld om de nodige precisie voor de ampère te bereiken. Maar nu, een apparaat genaamd de schipper CCD, ontwikkeld door Tiffenberg en zijn medewerkers bij Fermilab en het Lawrence Berkeley National Laboratory Microsystems Lab, zou kunnen leiden tot een vooruitgang in de meetwetenschap.

elektronen tellen, een voor een

Twee stroomvoerende draden oefenen een kracht op elkaar uit die zowel afhangt van de afstand tussen de draden als van de waarde van de stroom. Tot voor kort, 1 ampère werd gedefinieerd als de stroom die ervoor zorgt dat twee oneindig lange draden die op een meter van elkaar evenwijdig aan elkaar zijn geplaatst, een kracht ervaren van precies 0,2 miljoenste van een newton per meter lengte.

Maar die definitie baarde de wetenschappelijke gemeenschap zorgen:een experiment waarvoor oneindig lange draden nodig zijn, is onmogelijk uit te voeren. Andere basiseenheden hadden ook onbevredigende definities:de kilogram werd gedefinieerd als de massa van een bepaalde metalen cilinder in een kluis in de buurt van Parijs. Dus anno 2019, de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten heeft nieuwe definities aangenomen voor vier van de zeven basiseenheden van het Internationale Stelsel van Eenheden, of SI, inclusief de kilogram en de ampère.

"Het idee is nu om alle eenheden te koppelen aan fundamentele constanten van het universum, " zei Tiffenberg. "In het geval van de ampère, de link wordt gemaakt door de lading van het elektron."

Toch blijft er één probleem:de lading van een enkel elektron is minuscuul. Volgens de nieuwe definitie de stroom die wordt gegenereerd door een enkel elektron dat elke seconde een bepaald punt passeert, is precies 1,602176634 × 10-19 ampère, of minder dan 2 tienden van een miljardste van een miljardste van een versterker. Veel experts zeggen dat een instrument om de definitie van de ampère te kalibreren een stroom van minimaal 1 microampère moet genereren, of 1 miljoenste van een versterker, terwijl ze individuele elektronen tellen - biljoenen van hen elke seconde. Zo'n apparaat bestaat nog niet.

Voer het schipper-laadgekoppelde apparaat van Fermilab in, die voortbouwt op verbeteringen die in de jaren negentig zijn aangebracht aan standaard CCD's. Pixels die in een raster zijn verbonden, slaan de elektronen op die worden geproduceerd wanneer licht erop valt. Vervolgens worden de elektronen naar een detector gestuurd die de lading in elke pixel meet.

Veel gebruikt in digitale camera's en wetenschappelijke instrumenten, standaard CCD's kunnen de lading in elke pixel slechts één keer meten voordat de informatie verloren gaat. Schipper CCD's, anderzijds, kan elke pixel herhaaldelijk meten met een snelheid van 100 keer per milliseconde. Hierdoor kunnen schipper CCD's, in tegenstelling tot standaard, individuele elektronen tellen.

"Omdat deze metingen onafhankelijk zijn, gewoon door veel te nemen, veel monsters en het gemiddelde daarvan, je bent in staat om de onzekerheid over hoeveel lading er in de pixel zat te verminderen, " legde Tiffenberg uit, die de New Horizons in Physics Prize 2021 en de URA Early Career Award 2020 won voor zijn werk aan CCD's van schippers. "In principe, je kunt dit terugbrengen tot een willekeurig klein getal. We hebben dit gedaan tot onzekerheidsniveaus van 0,06 elektronen."

Tiffenberg en zijn medewerkers begonnen het schipper CCD-project met als doel het detecteren van donkere materie, de mysterieuze substantie die ongeveer 85 procent van de materie in het universum uitmaakt. Sommige theorieën voorspellen dat botsingen met lichtgewicht donkere materiedeeltjes individuele elektronen zouden doen terugdeinzen, die een schipper CCD met uiterste precisie kon detecteren.

Nu de ampère is gedefinieerd in termen van enkele elektronen, onderzoekers van Fermilab werken aan het opschalen van schipper CCD-technologie om de stroom te bereiken die nodig is voor een succesvolle kalibratie van de definitie.

"Ik zeg niet dat dit gemakkelijk zal zijn, maar er is geen theoretische beperking, " zei Guillermo Fernandez Moroni, een postdoc bij Fermilab bezig met schipper CCD's.

Een grotere stroombron bouwen

In de herdefiniëring van de SI-eenheden in 2019, de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten leverde drie kandidaat-methoden om de ampère te kalibreren. De meest veelbelovende scharnieren op single-electron transistors, die, zoals schipper CCD's, individuele elektronen kan tellen. Maar de stroom die door de huidige SET's wordt geproduceerd, valt ver onder de drempel voor een nauwkeurige kalibratie.

De eerste generatie schipper-CCD's kan al een grotere stroom produceren dan SET's. Tiffenberg en Moroni verwachten dat toekomstige verfijningen hen in staat zullen stellen om CCD's voor schippers te bouwen die een stroom genereren van wel 1 miljardste van een ampère, terwijl ze nog steeds individuele elektronen tellen.

Om vanaf daar de drempel van 1 microampère te bereiken, onderzoekers zouden duizend schipper-CCD's aan elkaar moeten koppelen. Dit, te, lijkt haalbaar voor Tiffenberg. Het prototype van de donkere-materiedetector van zijn team bevat ongeveer honderd CCD's van schippers. Terwijl SET's moeten worden gekoeld tot een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt, schipper CCD's kunnen werken bij min 133 graden Celsius - een zwoele temperatuur in vergelijking. Als resultaat, opschaling van de laatste is praktischer.

Ondertussen, Fermilab-onderzoekers onderzoeken tal van andere toepassingen voor CCD's voor schippers.

"We hebben veel mensen aan deze inspanning toegevoegd, en nu zijn onze dagen vol samenkomsten. Elke dag is een ander onderwerp rond de schipper, " zei Moroni, die de URA Tollestrup Award 2019 ontving voor zijn schipper CCD-onderzoek. "Maandag en woensdag zijn donkere materie, Woensdag en vrijdag zijn neutrino's, Dinsdag is kwantum, Donderdag is astronomie en satellieten. Het is erg spannend."

Tiffenberg is het ermee eens dat schipper-CCD's veelbelovend zijn voor meetwetenschappelijk en natuurkundig onderzoek in het algemeen.

"De applicaties lijken gewoon overal te verschijnen, dus het is erg leuk, " hij zei.