Kolde atomer bruges til at skabe pålidelig trykmåler til ultrahøjt vakuum – Physics World

Kolde atomer bruges til at skabe pålidelig trykmåler til ultrahøjt vakuum – Physics World

Tidsstempel: 5. september 2023 kl. 12

NIST vakuumpumpe
Fed idé: NIST's Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt og kolleger har udviklet og testet en teknik, der bruger kolde atomer til at måle ultralave tryk. (Med høflighed: NIST)

An effect that normally gets in the way of the magnetic trapping of atoms has been harnessed to create a new method for measuring pressure in ultrahigh vacuum (UHV) systems. Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak and colleagues at the US National Institute of Standards and Technology (NIST) have shown that measurements made with a “cold-atom vacuum standard” (CAVS) match closely with a current standard technique for making UHV pressure measurements. The team believes that CAVSs could prove to be a more reliable way of measuring pressure than some existing techniques.

Mange applikationer inden for videnskab og industri udføres under UHV-forhold, og det er afgørende, at de meget lave tryk i sådanne systemer måles nøjagtigt. UHV-trykket er typisk mindre end 10-10  of atmospheric pressure and are usually measured using ionization gauges. These devices ionize some of the remaining (background) gas molecules in a vacuum and the ions are attracted to a negatively charged electrode. The resulting ion current is measured and this is translated into a pressure.

Imidlertid har ioniseringsmålere adskillige ulemper, herunder behovet for hyppig kalibrering; og en nøjagtighed, der afhænger af baggrundsgassens sammensætning. Som følge heraf kan disse målere have betydelige måleusikkerheder, når de bruges i UHV.

Sammenstødende atomer

Den magnetiske fangst af atomer er en vigtig applikation, der udføres under UHV. Det involverer afkøling af neutrale atomer til tæt på det absolutte nul - hvilket gør det muligt for de ultrakolde atomer at blive brugt til at udforske stoffets kvanteegenskaber. Men selv når de holdes i UHV, vil atomer til sidst kollidere med resterende gas og slå atomer ud af fælden.

For nylig har forskere indset, at dette problem kunne vendes til en fordel for måling af vakuumtryk. "I løbet af det sidste årti har flere forskergrupper arbejdet på at bruge det baggrundsgas-inducerede atomtab, som er skadeligt for de fleste kvantevidenskabelige applikationer, til at måle vakuumtryk i UHV-området," forklarer Barker.

Den seneste udvikling inden for kvantespredningsteorien tyder på, at den hastighed, hvormed atomer går tabt fra magnetiske fælder, skal variere forudsigeligt og konsistent med trykket, der udøves af baggrundsgassen, uanset dens sammensætning. Som et resultat har adskillige undersøgelser udforsket ideen om, at magnetiske fælder kunne bruges som koldatom-vakuumstandarder, der bestemmer trykket ved hjælp af tabshastigheden af ​​fangede atomer, uden at der kræves nogen kalibrering.

Dynamisk ekspansion

In its study, the NIST team set out show that that a CAVS could be used to measure pressure under UHV conditions. The study involved attaching a pair of CAVSs to a dynamic expansion system, which is regarded by NIST as the gold standard for vacuum measurement. These systems work by injecting a known amount of gas into a vacuum chamber, then removing it from the other end at a carefully controlled rate.

“The dynamic expansion standard sets a known vacuum pressure of a known gas for the two CAVSs to measure,” Barker explains. “If the pressure set by the dynamic expansion standard and the pressure measured by the CAVSs agree within their uncertainties, then the CAVSs are validated: they are truly intrinsically accurate pressure standards for ultrahigh vacuum.”

In their experiment, the researchers measured variations in collision rates between trapped, ultracold atoms of lithium and rubidium, and a variety of room-temperature noble gases. Just as previous quantum scattering calculations had suggested, the loss rates they measured from the magnetic trap CAVSs were a reliable standard for vacuum pressure.

Trykaflæsninger fra en CAVS vil være pålidelige selv år efter implementering

Daniel Barker

"Vi fandt ud af, at CAVS'erne og den dynamiske ekspansionsstandard er i meget god overensstemmelse; de rapporterer det samme vakuumtryk,” siger Barker. "Vi ved nu, at trykaflæsninger fra en CAVS vil være pålidelige selv år efter implementering."

Following their success, Eckel and team now hope metrology institutes around the world will try to replicate their results by comparing CAVSs with vacuum pressure measurements made using their own dynamic expansion standards. If an international agreement can be reached, they expect that vacuum pressures could soon be routinely measured far more accurately than with ionization gauges – to the benefit of researchers working in cutting-edge areas of research.

"Vi forventer, at den langsigtede pålidelighed af en CAVS kan være fordelagtig i acceleratorfaciliteter, gravitationsbølgedetektorer og næste generation af halvlederfabrikater," siger Barker. "NIST planlægger også at udvikle en CAVS som en kalibreringsstandard for kommercielt producerede målere."

Forskningen er beskrevet i AVS kvantevidenskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden