استخدام الذرات الباردة لإنشاء مقياس ضغط موثوق للفراغ الفائق - عالم الفيزياء

استخدام الذرات الباردة لإنشاء مقياس ضغط موثوق للفراغ الفائق - عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 5 سبتمبر 2023 ، الساعة 12:25 مساءً

مضخة فراغ نيست
فكرة رائعة: قام دانييل باركر وستيف إيكل وجيم فيدتشاك وجوليا شيرشليغت من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وزملاؤه بتطوير واختبار تقنية تستخدم الذرات الباردة لقياس الضغوط المنخفضة للغاية. (مجاملة: نيست)

تم تسخير التأثير الذي يعيق عادة الاصطياد المغناطيسي للذرات لإنشاء طريقة جديدة لقياس الضغط في أنظمة الفراغ الفائق (UHV). ستيفن إيكيل, دانيال باركر, جوليا شيرشليغت, جيم فيدتشاك وقد أظهر وزملاؤه في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) أن القياسات التي تم إجراؤها باستخدام "معيار فراغ الذرة الباردة" (CAVS) تتطابق بشكل وثيق مع التقنية القياسية الحالية لإجراء قياسات ضغط UHV. يعتقد الفريق أن CAVS يمكن أن تكون وسيلة أكثر موثوقية لقياس الضغط من بعض التقنيات الحالية.

يتم تنفيذ العديد من التطبيقات في العلوم والصناعة في ظل ظروف UHV ومن المهم أن يتم قياس الضغوط المنخفضة جدًا في مثل هذه الأنظمة بدقة. عادة ما تكون ضغوط UHV أقل من 10-10  الضغط الجوي وعادة ما يتم قياسها باستخدام مقاييس التأين. تقوم هذه الأجهزة بتأين بعض جزيئات الغاز المتبقية (الخلفية) في الفراغ وتنجذب الأيونات إلى قطب كهربائي سالب الشحنة. يتم قياس التيار الأيوني الناتج ويتم ترجمته إلى ضغط.

ومع ذلك، فإن أجهزة قياس التأين لها عيوب عديدة بما في ذلك الحاجة إلى المعايرة المتكررة؛ ودقة تعتمد على تكوين غاز الخلفية. ونتيجة لذلك، يمكن أن تحتوي هذه المقاييس على قدر كبير من عدم اليقين في القياس عند استخدامها في الموجات فوق البنفسجية.

اصطدام الذرات

يعد الاصطياد المغناطيسي للذرات تطبيقًا مهمًا يتم إجراؤه تحت الأشعة فوق البنفسجية. وهو يتضمن تبريد الذرات المحايدة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، مما يسمح باستخدام الذرات فائقة البرودة لاستكشاف الخصائص الكمومية للمادة. ومع ذلك، حتى عند احتجازها في نطاق فائق السرعة، ستصطدم الذرات في النهاية بالغاز المتبقي، مما يؤدي إلى إخراج الذرات من الفخ.

وقد أدرك الباحثون مؤخرًا أن هذه المشكلة يمكن أن تتحول إلى ميزة لقياس ضغط الفراغ. "على مدى العقد الماضي، عملت العديد من المجموعات البحثية على استخدام فقدان الذرة الناجم عن غاز الخلفية، وهو أمر ضار لمعظم تطبيقات العلوم الكمومية، لقياس ضغط الفراغ في نطاق UHV"، يشرح باركر.

تشير التطورات الأخيرة في نظرية التشتت الكمي إلى أن معدل فقدان الذرات من المصائد المغناطيسية يجب أن يختلف بشكل متوقع ومتسق مع الضغط الذي يمارسه غاز الخلفية، بغض النظر عن تركيبته. ونتيجة لذلك، استكشفت العديد من الدراسات فكرة إمكانية استخدام المصائد المغناطيسية كمعايير فراغ الذرة الباردة التي تحدد الضغط باستخدام معدل فقدان الذرات المحاصرة، دون الحاجة إلى المعايرة.

التوسع الديناميكي

في دراسته، أوضح فريق NIST أنه يمكن استخدام CAVS لقياس الضغط في ظل ظروف UHV. تضمنت الدراسة ربط زوج من CAVS بنظام التوسع الديناميكي، والذي يعتبره NIST المعيار الذهبي لقياس الفراغ. تعمل هذه الأنظمة عن طريق حقن كمية معروفة من الغاز في حجرة مفرغة، ثم إزالتها من الطرف الآخر بمعدل يتم التحكم فيه بعناية.

يوضح باركر: "يحدد معيار التمدد الديناميكي ضغطًا فراغيًا معروفًا لغاز معروف ليقوم جهازا CAVS بقياسه". "إذا كان الضغط الذي حدده معيار التمدد الديناميكي والضغط الذي تم قياسه بواسطة CAVS متفقين ضمن حدود عدم اليقين، فسيتم التحقق من صحة CAVS: فهي حقًا معايير ضغط دقيقة جوهريًا للفراغ الفائق."

في تجربتهم، قام الباحثون بقياس الاختلافات في معدلات الاصطدام بين ذرات الليثيوم والروبيديوم المحاصرة شديدة البرودة، ومجموعة متنوعة من الغازات النبيلة في درجة حرارة الغرفة. تمامًا كما اقترحت حسابات التشتت الكمي السابقة، كانت معدلات الفقد التي تم قياسها من المصيدة المغناطيسية CAVS معيارًا موثوقًا به لضغط الفراغ.

ستكون قراءات الضغط من CAVS جديرة بالثقة حتى بعد سنوات من النشر

دانيال باركر

"لقد وجدنا أن CAVSs ومعيار التوسع الديناميكي في اتفاق جيد جدًا؛ يقول باركر: "إنهم يبلغون عن نفس ضغط الفراغ". "نحن نعلم الآن أن قراءات الضغط من CAVS ستكون جديرة بالثقة حتى بعد سنوات من النشر."

بعد نجاحهم، يأمل إيكل وفريقه الآن أن تحاول معاهد القياس حول العالم تكرار نتائجهم من خلال مقارنة CAVS مع قياسات ضغط الفراغ التي يتم إجراؤها باستخدام معايير التوسع الديناميكي الخاصة بهم. وإذا أمكن التوصل إلى اتفاق دولي، فإنهم يتوقعون أن يصبح من الممكن قريباً قياس ضغوط الفراغ بشكل روتيني بشكل أكثر دقة من مقاييس التأين ــ لصالح الباحثين العاملين في مجالات البحوث المتطورة.

يقول باركر: "نتوقع أن موثوقية CAVS على المدى الطويل قد تكون مفيدة في منشآت التسريع، وكاشفات موجات الجاذبية، والجيل القادم من مصانع أشباه الموصلات". "تخطط NIST أيضًا لتطوير CAVS كمعيار معايرة لأجهزة القياس المنتجة تجاريًا."

تم وصف البحث في AVS الكم العلوم.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء