作者斯科特·赫什伯格，费米国家加速器实验室 费米实验室科学家哈维尔·蒂芬伯格在费米实验室硅探测器设备的洁净室中检查一个船长电荷耦合器件
信用:赖达·哈恩，费米实验室 从灯泡到手机，日常生活中的所有电子设备都依赖电子流来运行
就像科学家用米来描述物体的长度或用秒来测量时间的流逝一样，他们也用安培来量化电流——电荷通过电路的速率
在日常生活中，你可以安全地使用吹风机或烤面包机，而不需要知道每秒钟有多少电子流过它
但是物理学前沿的研究人员必须对安培有一个精确的定义，以检测实验何时意外偏离理论预测
费米实验室科学家哈维尔·蒂芬伯格说:“随着技术的进步，许多我们以前无法做到的测量变得可用，然后你就可以进行极高精度的测量。”
“所以你想要一个比你试图测量的任何东西都精确得多的单位定义
" 几十年来，科学家们一直在努力实现安培的必要精度
但是现在，由蒂芬伯格和他在费米实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室微系统实验室的合作者开发的一种叫做“船长电荷耦合器件”的装置，可能会在测量科学上引发一场进步
逐一计算电子 两根载流导线相互施加一个力，该力取决于导线之间的距离以及电流值
直到最近，1安培还被定义为一种电流，这种电流会使两根相距一米平行放置的无限长的导线受到恰好为0的力
每米长度百万分之二牛顿
但是这个定义困扰着科学界——一个需要无限长电线的实验是不可能进行的
其他基本单位也有不尽人意的定义:例如，千克被定义为巴黎附近一个金库中某个特定金属圆柱体的质量
因此，在2019年，度量衡大会通过了国际单位制七个基本单位中的四个新定义，包括千克和安培
“现在的想法是将所有单位与宇宙的基本常数联系起来，”蒂芬伯格说
“就安培而言，这种联系是通过电子的电荷实现的
" 然而一个问题仍然存在:单个电子的电荷很小
根据新的定义，单个电子每秒通过给定点产生的电流正好是1
602176634×10-19安培，不到十亿分之一安培的十分之二
许多专家说，校准安培定义的仪器必须产生至少1微安或1百万分之一安培的电流，同时计算单个电子——每秒数万亿个
目前还没有这样的设备
进入费米实验室的船长电荷耦合器件，它建立在20世纪90年代对标准电荷耦合器件的改进之上
连接在网格中的像素存储光线照射它们时产生的电子
然后电子被传送到检测器，检测器测量每个像素中包含的电荷
标准电荷耦合器件广泛应用于数码相机和科学仪器中，在丢失信息之前，它只能测量每个像素的电荷一次
另一方面，扫描电荷耦合器件可以以每毫秒100次的速度重复测量每个像素
与标准的电荷耦合器件不同，这使得船长电荷耦合器件能够计算单个电子
“因为这些测量是独立的，只需采集大量样本并取平均值，就能减少像素中电荷数量的不确定性，”提芬伯格解释道，他因在船长电荷耦合器件方面的工作获得了2021年新视野物理学奖和2020年URA早期职业奖
“原则上，你可以把它减少到一个任意小的数字
我们这样做的不确定性水平为0
06电子
" 蒂芬伯格和他的合作者开始了船长电荷耦合器件项目，目标是探测暗物质，这种神秘物质占宇宙物质的85%
一些理论预测，与轻质暗物质粒子的碰撞将导致单个电子反冲，这是一个船长电荷耦合器件可以非常精确地探测到的
既然安培是用单电子来定义的，费米实验室的研究人员正致力于扩大船长电荷耦合器件技术的规模，以达到成功校准该定义所需的电流
“我不是说这很容易，但理论上没有限制，”吉列尔莫·费尔南德斯·莫罗尼说，他是费米实验室的博士后，研究船长电荷耦合器件
构建更大的电流源 在2019年重新定义国际单位制时，度量衡大会提供了三种校准安培的候选方法
最有前途的是单电子晶体管，它像船长电荷耦合器件一样，可以计算单个电子
但是今天的SETs产生的电流远远低于精确校准的阈值
第一代史奇普电荷耦合器件已经可以产生比SETs更大的电流
蒂芬伯格和莫罗尼预计，未来的改进将使他们能够建造队长电荷耦合器件，产生高达10亿分之一安培的电流，同时仍能计算单个电子
为了从那里达到1微安的阈值，研究人员需要将一千个船长CCD连接在一起
这在蒂芬伯格看来也是可行的
他的团队的原型暗物质探测器包含大约100个船长电荷耦合器件
虽然半导体激光器必须被冷却到绝对零度以上千分之几度，但船长CCD可以在零下133摄氏度工作——相比之下，这是一个温和的温度
因此，扩大后者更为实际
与此同时，费米实验室的研究人员正在探索船长CCD的许多其他用途
“我们已经为此增加了很多人，现在我们的日子里充满了会议
莫罗尼说，他因其船长电荷耦合器件研究获得了2019年URA托尔斯特鲁普奖
“星期一和星期三是暗物质，星期三和星期五是中微子，星期二是量子，星期四是天文学和卫星
这非常令人兴奋
" 蒂芬伯格同意船长CCDs对更广泛的测量科学和物理研究有很大的希望。
“这些应用程序似乎随处可见，所以非常有趣，”他说
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