Desde bombillas hasta teléfonos móviles, Todos los dispositivos electrónicos de la vida cotidiana dependen del flujo de electrones para funcionar. Así como los científicos usan metros para describir la longitud de un objeto o segundos para medir el paso del tiempo, usan amperios, o amperios, para cuantificar la corriente eléctrica:la velocidad a la que la carga eléctrica se mueve a través de un circuito.

En todos los días de la vida, Puede utilizar un secador de pelo o una tostadora de forma segura sin saber exactamente cuántos electrones fluyen a través de él por segundo. Pero los investigadores en las fronteras de la física deben tener una definición precisa del amperio para detectar cuándo los experimentos se desvían inesperadamente de las predicciones teóricas.

"A medida que avanza la tecnología, muchas medidas que no podíamos hacer antes de que estén disponibles, y luego puede tener mediciones de muy alta precisión, ", dijo el científico del Fermilab Javier Tiffenberg." Así que quieres tener una definición de la unidad que sea mucho más precisa que lo que sea que estés tratando de medir ".

Por décadas, los científicos han luchado por lograr la precisión necesaria para el amperio. Pero ahora, un dispositivo llamado skipper CCD, desarrollado por Tiffenberg y sus colaboradores en Fermilab y el Laboratorio Nacional de Microsistemas Lawrence Berkeley, podría provocar un avance en la ciencia de la medición.

Contando electrones, uno a uno

Dos cables conductores de corriente ejercen una fuerza entre sí que depende de la distancia entre los cables y del valor de la corriente. Hasta hace poco, Se definió 1 amperio como la corriente que haría que dos cables infinitamente largos colocados en paralelo a un metro de distancia experimentaran una fuerza de exactamente 0,2 millonésimas de newton por metro de longitud.

Pero esa definición preocupó a la comunidad científica:es imposible realizar un experimento que requiera cables infinitamente largos. Otras unidades base también tenían definiciones insatisfactorias:por ejemplo, el kilogramo se definió como la masa de un cilindro de metal en particular en una bóveda cerca de París. Entonces, en 2019, la Conferencia General de Pesas y Medidas adoptó nuevas definiciones para cuatro de las siete unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades, o SI, incluyendo el kilogramo y el amperio.

"Ahora la idea es vincular todas las unidades a las constantes fundamentales del universo, ", Dijo Tiffenberg." En el caso del amperio, el enlace se realiza a través de la carga del electrón ".

Sin embargo, queda un problema:la carga de un solo electrón es minúscula. Bajo la nueva definición, la corriente generada por un solo electrón que pasa por un punto dado cada segundo es exactamente 1,602176634 × 10-19 amperios, o menos de 2 décimas de mil millonésimas de mil millonésimas de amperio. Muchos expertos dicen que un instrumento para calibrar la definición del amperio debe generar una corriente de al menos 1 microamperio, o 1 millonésima parte de un amplificador, mientras se cuentan electrones individuales, billones de ellos por segundo. Todavía no existe tal dispositivo.

Introduzca el dispositivo de carga acoplada del patrón del Fermilab, que se basa en las mejoras realizadas en la década de 1990 a los CCD estándar. Los píxeles conectados en una red almacenan los electrones producidos cuando la luz los golpea. Luego, los electrones se envían a un detector que mide la carga contenida en cada píxel.

Ampliamente utilizado en cámaras digitales e instrumentos científicos, Los CCD estándar pueden medir la carga en cada píxel solo una vez antes de perder la información. CCD de patrón, por otra parte, puede medir cada píxel repetidamente a una velocidad de 100 veces por milisegundo. Esto permite CCD de patrón, a diferencia de los estándar, contar electrones individuales.

"Debido a que estas medidas son independientes, solo tomando muchos, muchas muestras y promediarlas, puede reducir la incertidumbre sobre la cantidad de carga que había en el píxel, "explicó Tiffenberg, quien ganó el premio New Horizons in Physics 2021 y el premio URA Early Career Award 2020 por su trabajo en los CCD de patrón. "En principio, puede reducirlo a un número arbitrariamente pequeño. Hemos hecho esto a niveles de incertidumbre de 0,06 electrones ".

Tiffenberg y sus colaboradores comenzaron el proyecto CCD patrón con el objetivo de detectar la materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye aproximadamente el 85 por ciento de la materia del universo. Algunas teorías predicen que las colisiones con partículas ligeras de materia oscura harían retroceder electrones individuales, que un capitán CCD podría detectar con extrema precisión.

Ahora que el amperio se define en términos de electrones individuales, Los investigadores de Fermilab están trabajando para ampliar la tecnología CCD patrón para alcanzar la corriente necesaria para una calibración exitosa de la definición.

"No estoy diciendo que esto vaya a ser fácil, pero no hay limitación teórica, "dijo Guillermo Fernandez Moroni, un postdoctorado en Fermilab trabajando en CCD de patrón.

Construyendo una fuente de corriente más grande

En la redefinición de las unidades SI de 2019, la Conferencia General de Pesas y Medidas proporcionó tres métodos candidatos para calibrar el amperio. Las bisagras más prometedoras de los transistores de un solo electrón, cuales, como los CCD de patrón, puede contar electrones individuales. Pero la corriente producida por los SET de hoy está muy por debajo del umbral para una calibración precisa.

La primera generación de CCD de patrón ya puede producir una corriente mayor que los SET. Tiffenberg y Moroni esperan que los refinamientos futuros les permitan construir CCD patrón que generen una corriente tan grande como una mil millonésima parte de un amplificador mientras siguen contando electrones individuales.

Para alcanzar el umbral de 1 microamperio desde allí, los investigadores tendrían que vincular miles de CCD de patrón. Esta, también, parece factible para Tiffenberg. El prototipo de detector de materia oscura de su equipo contiene alrededor de cien CCD de patrón. Mientras que los SET deben enfriarse a unas milésimas de grado por encima del cero absoluto, Los CCD del patrón pueden funcionar a menos 133 grados Celsius, una temperatura agradable en comparación. Como resultado, ampliar este último es más práctico.

Mientras tanto, Los investigadores de Fermilab están explorando una serie de otros usos para los CCD de patrón.

"Hemos estado agregando a muchas personas a este esfuerzo, y ahora nuestros días están llenos de reuniones. Cada día es un tema diferente en torno al patrón, "dijo Moroni, quien recibió el Premio URA Tollestrup 2019 por su investigación de patrón CCD. "El lunes y el miércoles son materia oscura, El miércoles y el viernes son neutrinos, El martes es cuántico El jueves es astronomía y satélites. Es muy emocionante."

Tiffenberg está de acuerdo en que los CCD de patrón son muy prometedores para la investigación de la ciencia de la medición y la física en general.

"Las aplicaciones parecen aparecer en todas partes, así que es muy divertido " él dijo.