Fastgør amperen med en superfølsom partikeldetektor

Fra pærer til mobiltelefoner, alle elektroniske enheder i hverdagen er afhængige af strømmen af ​​elektroner for at fungere. Ligesom forskere bruger målere til at beskrive længden af ​​et objekt eller sekunder til at måle tidens gang, de bruger ampere, eller forstærkere, at kvantificere elektrisk strøm - den hastighed, hvormed elektrisk ladning bevæger sig gennem et kredsløb.

I hverdagen, du kan roligt bruge en hårtørrer eller brødrister uden at vide præcis, hvor mange elektroner der strømmer igennem den hvert sekund. Men forskere på fysikkens grænser skal have en præcis definition af amperen for at opdage, når eksperimenter uventet afviger fra teoretiske forudsigelser.

"Som teknologien udvikler sig, masser af målinger, som vi ikke kunne gøre før, blev tilgængelige, og så kan du have ekstremt præcise målinger, " sagde Fermilab-forsker Javier Tiffenberg. "Så du vil have en definition af enheden, der er meget mere præcis end hvad du prøver at måle."

I årtier, forskere har kæmpet for at opnå den nødvendige præcision for amperen. Men nu, en enhed kaldet skipper CCD, udviklet af Tiffenberg og hans samarbejdspartnere ved Fermilab og Lawrence Berkeley National Laboratory Microsystems Lab, kunne udløse et fremskridt inden for målevidenskab.

Tæller elektroner, en efter en

To strømførende ledninger udøver en kraft på hinanden, der afhænger af afstanden mellem ledningerne samt værdien af ​​strømmen. Indtil for nylig, 1 ampere blev defineret til at være den strøm, der ville få to uendeligt lange ledninger placeret parallelt med hinanden med en meters afstand til at opleve en kraft på præcis 0,2 milliontedele newton pr. meter længde.

Men denne definition generede det videnskabelige samfund - et eksperiment, der kræver uendeligt lange ledninger, er umuligt at udføre. Andre basisenheder havde også utilfredsstillende definitioner:F.eks. kilogrammet blev defineret til at være massen af ​​en bestemt metalcylinder i en hvælving nær Paris. Så i 2019, Generalkonferencen om vægte og mål vedtog nye definitioner for fire af de syv basisenheder i det internationale system af enheder, eller SI, inklusive kilogram og ampere.

"Nu er ideen at forbinde alle enhederne til universets fundamentale konstanter, " sagde Tiffenberg. "I tilfældet med amperen, linket udføres gennem elektronens ladning. "

Alligevel er der et problem tilbage:Ladningen af ​​en enkelt elektron er minimal. Under den nye definition, strømmen genereret af en enkelt elektron, der passerer et givet punkt i hvert sekund, er nøjagtigt 1.602176634 × 10-19 ampere, eller mindre end 2 tiendedele af en milliardtedel af en milliardtedel af en amp. Mange eksperter siger, at et instrument til at kalibrere definitionen af ​​amperen skal generere en strøm på mindst 1 mikroampere, eller 1 milliondel af en forstærker, mens man tæller individuelle elektroner - billioner af dem hvert sekund. En sådan enhed findes endnu ikke.

Indtast Fermilabs skipper-ladningskoblede enhed, som bygger på forbedringer foretaget i 1990'erne til standard CCD'er. Pixels, der er forbundet i et net, gemmer de elektroner, der produceres, når lys rammer dem. Derefter sendes elektronerne til en detektor, der måler ladningen i hver pixel.

Udbredt i digitale kameraer og videnskabelige instrumenter, standard CCD'er kan kun måle ladningen i hver pixel én gang, før de mister informationen. Skipper CCD'er, på den anden side, kan måle hver pixel gentagne gange med en hastighed på 100 gange pr. millisekund. Dette tillader skipper CCD'er, i modsætning til standard, at tælle individuelle elektroner.

"Fordi disse målinger er uafhængige, bare ved at tage mange, mange prøver og gennemsnittet af dem, du er i stand til at reducere usikkerheden på, hvor meget ladning der sad i pixlen, "forklarede Tiffenberg, som vandt 2021 New Horizons in Physics Prize og 2020 URA Early Career Award for sit arbejde med skipper CCD'er. "I princippet, du kan reducere dette til et tal, der er vilkårligt lille. Vi har gjort dette til usikkerhedsniveauer på 0,06 elektroner. "

Tiffenberg og hans samarbejdspartnere startede skipper CCD-projektet med det mål at detektere mørkt stof, det mystiske stof, der udgør omkring 85 procent af stoffet i universet. Nogle teorier forudsiger, at kollisioner med lette partikler i mørkt stof ville få individuelle elektroner til at rekylere, som en skipper CCD kunne detektere med ekstrem præcision.

Nu hvor amperen er defineret som enkelte elektroner, forskere ved Fermilab arbejder på at opskalere skipper CCD -teknologi for at nå den strøm, der er nødvendig for en vellykket kalibrering af definitionen.

"Jeg siger ikke, at det bliver nemt, men der er ingen teoretisk begrænsning, "sagde Guillermo Fernandez Moroni, en postdoc hos Fermilab, der arbejder med skipper CCD'er.

Opbygning af en større strømkilde

I omdefinitionen af ​​SI -enhederne i 2019 Generalkonferencen om vægte og mål gav tre kandidatmetoder til at kalibrere amperen. De mest lovende hængsler på enkelt-elektron transistorer, hvilken, ligesom skipper CCD'er, kan tælle individuelle elektroner. Men den strøm, der produceres af nutidens SET'er, falder langt under tærsklen for en præcis kalibrering.

Den første generation af skipper CCD'er kan allerede producere en større strøm end SET'er. Tiffenberg og Moroni forventer, at fremtidige forbedringer vil give dem mulighed for at bygge skipper-CCD'er, der genererer en strøm så stor som 1 milliardtedel af en ampere, mens de stadig tæller individuelle elektroner.

For at nå tærsklen på 1 mikroamp derfra, forskere skulle forbinde tusind skipper -CCD'er. Det her, også, synes muligt for Tiffenberg. Hans teams prototype detektor for mørkt stof indeholder omkring hundrede skipper CCD'er. Mens SET'er skal køles ned til et par tusindedele af en grad over det absolutte nul, skipper CCD'er kan fungere ved minus 133 grader Celsius - en mild temperatur til sammenligning. Som resultat, at opskalere sidstnævnte er mere praktisk.

I mellemtiden, Fermilab -forskere undersøger en lang række andre anvendelser til skipper -CCD'er.

"Vi har føjet mange mennesker til denne indsats, og nu er vore dage fulde af møder. Hver dag er et andet emne omkring skipperen, " sagde Moroni, der modtog URA Tollestrupprisen 2019 for sin skipper CCD-forskning. "Mandag og onsdag er mørkt stof, Onsdag og fredag ​​er neutrinoer, Tirsdag er kvante, Torsdag er det astronomi og satellitter. Det er meget spændende."

Tiffenberg er enig i, at skipper-CCD'er har store løfter for målevidenskab og fysikforskning mere bredt.

"Ansøgningerne ser ud til bare at dukke op overalt, så det er meget sjovt, " han sagde.