De lâmpadas a telefones celulares, todos os dispositivos eletrônicos da vida cotidiana dependem do fluxo de elétrons para funcionar. Assim como os cientistas usam metros para descrever a duração de um objeto ou segundos para medir a passagem do tempo, eles usam amperes, ou amperes, para quantificar a corrente elétrica - a taxa na qual a carga elétrica se move através de um circuito.

Na vida cotidiana, você pode usar um secador de cabelo ou torradeira com segurança sem saber exatamente quantos elétrons estão fluindo por ele a cada segundo. Mas os pesquisadores nas fronteiras da física devem ter uma definição precisa do ampere para detectar quando os experimentos inesperadamente se desviam das previsões teóricas.

"Conforme a tecnologia avança, muitas medições que não podíamos fazer antes de se tornarem disponíveis, e então você pode ter medições de precisão extremamente alta, "disse o cientista do Fermilab Javier Tiffenberg." Então, você quer ter uma definição da unidade que seja muito mais precisa do que o que você está tentando medir. "

Por décadas, os cientistas têm se esforçado para obter a precisão necessária para o ampere. Mas agora, um dispositivo chamado skipper CCD, desenvolvido por Tiffenberg e seus colaboradores no Fermilab e no Lawrence Berkeley National Laboratory Microsystems Lab, poderia desencadear um avanço na ciência da medição.

Contando elétrons, um por um

Dois fios condutores de corrente exercem uma força um sobre o outro que depende da distância entre os fios e também do valor da corrente. Até recentemente, 1 amp foi definido como a corrente que faria com que dois fios infinitamente longos colocados paralelos um ao outro, separados por um metro, experimentassem uma força de exatamente 0,2 milionésimos de newton por metro de comprimento.

Mas essa definição perturbou a comunidade científica - um experimento que requer fios infinitamente longos é impossível de ser realizado. Outras unidades básicas também tiveram definições insatisfatórias:Por exemplo, o quilograma foi definido como a massa de um cilindro de metal particular em um cofre perto de Paris. Então, em 2019, a Conferência Geral sobre Pesos e Medidas adotou novas definições para quatro das sete unidades básicas do Sistema Internacional de Unidades, ou SI, incluindo o quilograma e o ampere.

"Agora, a ideia é ligar todas as unidades a constantes fundamentais do universo, "Tiffenberg disse." No caso do ampere, a ligação é feita por meio da carga do elétron. "

No entanto, um problema permanece:a carga de um único elétron é minúscula. Sob a nova definição, a corrente gerada por um único elétron que passa por um determinado ponto a cada segundo é exatamente 1,602176634 × 10-19 amperes, ou menos de 2 décimos de bilionésimo de bilionésimo de um amp. Muitos especialistas dizem que um instrumento para calibrar a definição do ampere deve gerar uma corrente de pelo menos 1 microamp, ou 1 milionésimo de um amplificador, enquanto conta elétrons individuais - trilhões deles a cada segundo. Esse dispositivo ainda não existe.

Digite o dispositivo de carga acoplada do capitão do Fermilab, que se baseia nas melhorias feitas na década de 1990 para os CCDs padrão. Pixels conectados em uma grade armazenam os elétrons produzidos quando a luz os atinge. Em seguida, os elétrons são transportados para um detector que mede a carga contida em cada pixel.

Amplamente utilizado em câmeras digitais e instrumentos científicos, CCDs padrão podem medir a carga em cada pixel apenas uma vez antes de perder as informações. Skipper CCDs, por outro lado, pode medir cada pixel repetidamente a uma taxa de 100 vezes por milissegundo. Isso permite CCDs skipper, ao contrário dos padrões, para contar elétrons individuais.

"Como essas medidas são independentes, apenas pegando muitos, muitas amostras e calculando a média delas, você pode reduzir a incerteza sobre quanta carga estava no pixel, "explicou Tiffenberg, que ganhou o 2021 New Horizons in Physics Prize e o 2020 URA Early Career Award por seu trabalho em skipper CCDs. "Em princípio, você pode reduzir isso a um número arbitrariamente pequeno. Fizemos isso para níveis de incerteza de 0,06 elétrons. "

Tiffenberg e seus colaboradores começaram o projeto skipper CCD com o objetivo de detectar matéria escura, a substância misteriosa que constitui cerca de 85 por cento da matéria no universo. Algumas teorias prevêem que as colisões com partículas leves de matéria escura fariam com que os elétrons individuais recuassem, que um CCD skipper poderia detectar com extrema precisão.

Agora que o ampere é definido em termos de elétrons únicos, pesquisadores do Fermilab estão trabalhando para aumentar a tecnologia de CCD do skipper para alcançar a corrente necessária para uma calibração bem-sucedida da definição.

"Não estou dizendo que vai ser fácil, mas não há limitação teórica, "disse Guillermo Fernandez Moroni, pós-doutorado no Fermilab trabalhando em CCDs skipper.

Construindo uma fonte de corrente maior

Na redefinição das unidades SI de 2019, a Conferência Geral de Pesos e Medidas forneceu três métodos candidatos para calibrar o ampere. As dobradiças mais promissoras em transistores de elétron único, que, como skipper CCDs, pode contar elétrons individuais. Mas a corrente produzida pelos SETs de hoje fica muito aquém do limite para uma calibração precisa.

A primeira geração de CCDs skipper já pode produzir uma corrente maior do que SETs. Tiffenberg e Moroni esperam que refinamentos futuros lhes permitam construir CCDs skipper que geram uma corrente tão grande quanto 1 bilionésimo de um amp, enquanto ainda contam os elétrons individuais.

Para alcançar o limite de 1 microamp a partir daí, os pesquisadores precisariam conectar mil CCDs skipper. Esse, também, parece viável para Tiffenberg. O protótipo do detector de matéria escura de sua equipe contém cerca de cem CCDs skipper. Embora os SETs devam ser resfriados a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto, Os CCDs skipper podem operar a 133 graus Celsius negativos - uma temperatura amena em comparação. Como resultado, ampliar o último é mais prático.

Enquanto isso, Os pesquisadores do Fermilab estão explorando uma série de outros usos para CCDs skipper.

"Temos acrescentado muitas pessoas a este esforço, e agora nossos dias estão cheios de reuniões. Cada dia é um assunto diferente em torno do capitão, "disse Moroni, que recebeu o prêmio URA Tollestrup 2019 por sua pesquisa de skipper CCD. "Segunda e quarta-feira são matéria escura, Quarta e sexta-feira são neutrinos, Terça é quântica, Quinta-feira é astronomia e satélites. É muito emocionante. "

Tiffenberg concorda que os CCDs skipper são uma grande promessa para a ciência de medição e a pesquisa em física de forma mais ampla.

"Os aplicativos parecem simplesmente aparecer em todos os lugares, então é muito divertido, " ele disse.