Des ampoules aux téléphones portables, tous les appareils électroniques de la vie quotidienne dépendent du flux d'électrons pour fonctionner. Tout comme les scientifiques utilisent des mètres pour décrire la longueur d'un objet ou des secondes pour mesurer le passage du temps, ils utilisent des ampères, ou des amplis, pour quantifier le courant électrique - la vitesse à laquelle la charge électrique se déplace dans un circuit.

Dans la vie de tous les jours, vous pouvez utiliser en toute sécurité un sèche-cheveux ou un grille-pain sans savoir exactement combien d'électrons le traversent chaque seconde. Mais les chercheurs aux frontières de la physique doivent avoir une définition précise de l'ampère pour détecter quand les expériences s'écartent de manière inattendue des prédictions théoriques.

"Au fur et à mesure que la technologie progresse, beaucoup de mesures que nous ne pouvions pas faire avant de devenir disponibles, et puis vous pouvez avoir des mesures de très haute précision, " a déclaré Javier Tiffenberg, scientifique du Fermilab. " Vous voulez donc avoir une définition de l'unité beaucoup plus précise que tout ce que vous essayez de mesurer. "

Depuis des décennies, les scientifiques ont lutté pour obtenir la précision nécessaire pour l'ampère. Mais maintenant, un appareil appelé le skipper CCD, développé par Tiffenberg et ses collaborateurs au Fermilab et au Lawrence Berkeley National Laboratory Microsystems Lab, pourrait déclencher une avancée dans la science de la mesure.

Compter les électrons, un par un

Deux fils conducteurs de courant exercent une force l'un sur l'autre qui dépend de la distance entre les fils ainsi que de la valeur du courant. Jusque récemment, 1 ampère a été défini comme le courant qui ferait en sorte que deux fils infiniment longs placés parallèlement l'un à l'autre à un mètre l'un de l'autre subissent une force d'exactement 0,2 millionième de newton par mètre de longueur.

Mais cette définition a troublé la communauté scientifique :une expérience nécessitant des fils infiniment longs est impossible à réaliser. D'autres unités de base avaient également des définitions insatisfaisantes :par exemple, le kilogramme a été défini comme étant la masse d'un cylindre métallique particulier dans une voûte près de Paris. Alors en 2019, la Conférence générale des poids et mesures a adopté de nouvelles définitions pour quatre des sept unités de base du Système international d'unités, ou SI, y compris le kilogramme et l'ampère.

"Maintenant, l'idée est de relier toutes les unités aux constantes fondamentales de l'univers, " dit Tiffenberg. " Dans le cas de l'ampère, le lien se fait par la charge de l'électron."

Pourtant, un problème demeure :la charge d'un seul électron est minuscule. Sous la nouvelle définition, le courant généré par un seul électron passant un point donné chaque seconde est exactement de 1,602176634 × 10-19 ampères, ou moins de 2 dixièmes de milliardième de milliardième d'ampli. De nombreux experts disent qu'un instrument pour calibrer la définition de l'ampère doit générer un courant d'au moins 1 microamp, ou 1 millionième d'ampli, tout en comptant les électrons individuels - des milliards d'électrons chaque seconde. Un tel appareil n'existe pas encore.

Entrez dans le dispositif à couplage de charge du skipper du Fermilab, qui s'appuie sur les améliorations apportées dans les années 1990 aux capteurs CCD standard. Les pixels connectés dans une grille stockent les électrons produits lorsque la lumière les frappe. Ensuite, les électrons sont transférés vers un détecteur qui mesure la charge contenue dans chaque pixel.

Largement utilisé dans les appareils photo numériques et les instruments scientifiques, les capteurs CCD standard ne peuvent mesurer la charge dans chaque pixel qu'une seule fois avant de perdre l'information. Skipper CCD, d'autre part, peut mesurer chaque pixel à plusieurs reprises à un taux de 100 fois par milliseconde. Cela permet aux capitaines CCD, contrairement aux standards, pour compter les électrons individuels.

"Parce que ces mesures sont indépendantes, juste en en prenant beaucoup, de nombreux échantillons et en faire la moyenne, vous êtes en mesure de réduire l'incertitude sur la charge restante dans le pixel, " a expliqué Tiffenberg, qui a remporté le prix New Horizons in Physics 2021 et le prix URA Early Career Award 2020 pour son travail sur les CCD de skipper. "En principe, vous pouvez le réduire à un nombre arbitrairement petit. Nous l'avons fait à des niveaux d'incertitude de 0,06 électron."

Tiffenberg et ses collaborateurs ont lancé le projet Skipper CCD dans le but de détecter la matière noire, la substance mystérieuse qui constitue environ 85 pour cent de la matière de l'univers. Certaines théories prédisent que les collisions avec des particules légères de matière noire feraient reculer les électrons individuels, qu'un skipper CCD pourrait détecter avec une extrême précision.

Maintenant que l'ampère est défini en termes d'électrons simples, les chercheurs du Fermilab travaillent à étendre la technologie CCD de skipper pour atteindre le courant nécessaire pour un étalonnage réussi de la définition.

"Je ne dis pas que ça va être facile, mais il n'y a pas de limitation théorique, " a déclaré Guillermo Fernandez Moroni, un post-doctorant au Fermilab travaillant sur les capteurs CCD de skipper.

Construire une plus grande source de courant

Dans la redéfinition 2019 des unités SI, la Conférence générale des poids et mesures a proposé trois méthodes candidates pour calibrer l'ampère. Les charnières les plus prometteuses sur les transistors monoélectroniques, lequel, comme les CCD de skipper, peut compter les électrons individuels. Mais le courant produit par les SET d'aujourd'hui est bien en deçà du seuil d'un étalonnage précis.

La première génération de CCD de skipper peut déjà produire un courant plus important que les SET. Tiffenberg et Moroni s'attendent à ce que les futurs raffinements leur permettent de construire des capteurs CCD qui génèrent un courant aussi grand que 1 milliardième d'ampère tout en comptant les électrons individuels.

Pour atteindre le seuil de 1 microamp à partir de là, les chercheurs devraient relier entre eux un millier de CCD de skipper. Cette, trop, semble faisable à Tiffenberg. Le prototype de détecteur de matière noire de son équipe contient une centaine de capteurs CCD de skipper. Alors que les SET doivent être refroidis à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu, Les capteurs CCD du skipper peuvent fonctionner à moins 133 degrés Celsius, une température douce en comparaison. Par conséquent, la mise à l'échelle de ce dernier est plus pratique.

En attendant, Les chercheurs du Fermilab explorent une foule d'autres utilisations des capteurs CCD de skipper.

« Nous avons ajouté beaucoup de personnes à cet effort, et maintenant nos journées sont pleines de rencontres. Chaque jour est un sujet différent autour du skipper, " dit Moroni, qui a reçu le prix URA Tollestrup 2019 pour ses recherches sur le skipper CCD. "Lundi et mercredi sont matière noire, Mercredi et vendredi sont des neutrinos, Le mardi est quantique, Jeudi, c'est l'astronomie et les satellites. C'est très excitant."

Tiffenberg convient que les capteurs CCD de skipper sont très prometteurs pour la science de la mesure et la recherche en physique plus largement.

"Les applications semblent apparaître partout, donc c'est très amusant, " il a dit.