Dalle lampadine ai cellulari, tutti i dispositivi elettronici nella vita di tutti i giorni si basano sul flusso di elettroni per funzionare. Proprio come gli scienziati usano i metri per descrivere la lunghezza di un oggetto o i secondi per misurare il passare del tempo, usano gli ampere, o amplificatori, quantificare la corrente elettrica, la velocità con cui la carica elettrica si muove attraverso un circuito.

Nella vita di tutti i giorni, puoi tranquillamente usare un asciugacapelli o un tostapane senza sapere esattamente quanti elettroni passano attraverso di esso ogni secondo. Ma i ricercatori alle frontiere della fisica devono avere una definizione precisa dell'ampere per rilevare quando gli esperimenti si discostano inaspettatamente dalle previsioni teoriche.

"Con l'avanzare della tecnologia, molte misurazioni che prima non potevamo fare si rendono disponibili, e poi puoi avere misurazioni di altissima precisione, " ha detto lo scienziato del Fermilab Javier Tiffenberg. "Quindi vuoi avere una definizione dell'unità che sia molto più precisa di qualunque cosa tu stia cercando di misurare".

Per decenni, gli scienziati hanno lottato per ottenere la precisione necessaria per l'ampere. Ma ora, un dispositivo chiamato skipper CCD, sviluppato da Tiffenberg e dai suoi collaboratori al Fermilab e al Lawrence Berkeley National Laboratory Microsystems Lab, potrebbe innescare un progresso nella scienza della misurazione.

Contando gli elettroni, uno per uno

Due fili percorsi da corrente esercitano reciprocamente una forza che dipende dalla distanza tra i fili e dal valore della corrente. Fino a poco tempo fa, 1 amp è stato definito come la corrente che farebbe sì che due fili infinitamente lunghi posti paralleli l'uno all'altro a un metro di distanza l'uno dall'altro subiscano una forza di esattamente 0,2 milionesimi di newton per metro di lunghezza.

Ma quella definizione ha turbato la comunità scientifica:un esperimento che richiede fili infinitamente lunghi è impossibile da eseguire. Anche altre unità di base avevano definizioni insoddisfacenti:ad esempio, il chilogrammo è stato definito come la massa di un particolare cilindro metallico in una volta vicino a Parigi. Così nel 2019, la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure ha adottato nuove definizioni per quattro delle sette unità di base del Sistema Internazionale di Unità, o SI, compreso il chilogrammo e l'ampere.

"Ora l'idea è di collegare tutte le unità alle costanti fondamentali dell'universo, " Disse Tiffenberg. "Nel caso dell'ampere, il collegamento avviene attraverso la carica dell'elettrone."

Tuttavia rimane un problema:la carica di un singolo elettrone è minuscola. Con la nuova definizione, la corrente generata da un singolo elettrone che passa in un dato punto ogni secondo è esattamente 1,602176634×10-19 ampere, o meno di 2 decimi di miliardesimo di miliardesimo di amplificatore. Molti esperti affermano che uno strumento per calibrare la definizione dell'ampere deve generare una corrente di almeno 1 microampere, o 1 milionesimo di amplificatore, contando i singoli elettroni, trilioni di essi ogni secondo. Non esiste ancora tale dispositivo.

Inserisci il dispositivo ad accoppiamento di carica dello skipper del Fermilab, che si basa sui miglioramenti apportati negli anni '90 ai CCD standard. I pixel collegati in una griglia immagazzinano gli elettroni prodotti quando la luce li colpisce. Quindi gli elettroni vengono trasferiti a un rilevatore che misura la carica contenuta in ciascun pixel.

Ampiamente usato in fotocamere digitali e strumenti scientifici, i CCD standard possono misurare la carica in ogni pixel solo una volta prima di perdere le informazioni. CCD skipper, d'altra parte, può misurare ripetutamente ogni pixel a una velocità di 100 volte al millisecondo. Ciò consente CCD skipper, a differenza di quelli standard, contare i singoli elettroni.

"Poiché queste misurazioni sono indipendenti, solo prendendone molti, molti campioni e facendone la media, sei in grado di ridurre l'incertezza su quanta carica si trovava nel pixel, " ha spiegato Tiffenberg, che ha vinto il 2021 New Horizons in Physics Prize e l'URA Early Career Award 2020 per il suo lavoro sui CCD skipper. "In linea di principio, puoi ridurlo a un numero arbitrariamente piccolo. Lo abbiamo fatto a livelli di incertezza di 0,06 elettroni".

Tiffenberg e i suoi collaboratori hanno iniziato il progetto skipper CCD con l'obiettivo di rilevare la materia oscura, la misteriosa sostanza che costituisce circa l'85% della materia nell'universo. Alcune teorie prevedono che le collisioni con particelle leggere di materia oscura provocherebbero il rinculo dei singoli elettroni, che un CCD skipper potrebbe rilevare con estrema precisione.

Ora che l'ampere è definito in termini di singoli elettroni, i ricercatori del Fermilab stanno lavorando per aumentare la tecnologia CCD skipper per raggiungere la corrente necessaria per una corretta calibrazione della definizione.

"Non sto dicendo che sarà facile, ma non ci sono limiti teorici, " disse Guillermo Fernandez Moroni, un postdoc al Fermilab che lavora sui CCD per skipper.

Costruire una fonte di corrente più grande

Nella ridefinizione 2019 delle unità SI, la Conferenza generale sui pesi e le misure ha fornito tre metodi candidati per calibrare l'ampere. I cardini più promettenti sui transistor a singolo elettrone, quale, come i CCD skipper, può contare i singoli elettroni. Ma la corrente prodotta dai SET di oggi è molto al di sotto della soglia per una calibrazione precisa.

La prima generazione di CCD skipper può già produrre una corrente maggiore rispetto ai SET. Tiffenberg e Moroni si aspettano che i futuri perfezionamenti consentiranno loro di costruire CCD skipper che generano una corrente pari a 1 miliardesimo di amp mentre continuano a contare i singoli elettroni.

Per raggiungere la soglia di 1 microampere da lì, i ricercatori dovrebbero collegare tra loro un migliaio di CCD skipper. Questo, pure, sembra fattibile a Tiffenberg. Il prototipo di rivelatore di materia oscura del suo team contiene circa un centinaio di CCD skipper. Mentre i SET devono essere raffreddati a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto, i CCD skipper possono funzionare a meno 133 gradi Celsius, una temperatura mite al confronto. Di conseguenza, scalare quest'ultimo è più pratico.

Intanto, I ricercatori del Fermilab stanno esplorando una serie di altri usi per i CCD skipper.

"Abbiamo aggiunto molte persone a questo sforzo, e ora le nostre giornate sono piene di incontri. Ogni giorno è un argomento diverso attorno allo skipper, " disse Moroni, che ha ricevuto l'URA Tollestrup Award 2019 per la sua ricerca CCD skipper. "Lunedì e mercoledì sono materia oscura, mercoledì e venerdì sono neutrini, Il martedì è quantico, Giovedì è astronomia e satelliti. È molto eccitante."

Tiffenberg concorda sul fatto che i CCD skipper sono molto promettenti per la scienza della misurazione e la ricerca in fisica più in generale.

"Le applicazioni sembrano apparire ovunque, quindi è molto divertente, " Egli ha detto.