Kalte Atome zur Herstellung zuverlässiger Druckmessgeräte für Ultrahochvakuum – Physics World

Kalte Atome zur Herstellung zuverlässiger Druckmessgeräte für Ultrahochvakuum – Physics World

Zeitstempel: 5. September 2023, 12:25 Uhr

NIST-Vakuumpumpe
Coole Idee: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt und Kollegen vom NIST haben eine Technik entwickelt und getestet, die kalte Atome verwendet, um ultraniedrige Drücke zu messen. (Mit freundlicher Genehmigung von NIST)

Ein Effekt, der normalerweise dem magnetischen Einfangen von Atomen im Weg steht, wurde genutzt, um eine neue Methode zur Druckmessung in Ultrahochvakuumsystemen (UHV) zu entwickeln. Stephan Eckel, Daniel Bärker, Julia Scherschlagt, Jim Fedchak und Kollegen am US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben gezeigt, dass Messungen mit einem „Cold-Atom-Vakuumstandard“ (CAVS) eng mit einer aktuellen Standardtechnik zur Durchführung von UHV-Druckmessungen übereinstimmen. Das Team glaubt, dass CAVS sich als zuverlässigere Methode zur Druckmessung erweisen könnten als einige bestehende Techniken.

Viele Anwendungen in Wissenschaft und Industrie werden unter UHV-Bedingungen durchgeführt und es ist entscheidend, dass die sehr niedrigen Drücke in solchen Systemen genau gemessen werden. UHV-Drücke liegen typischerweise unter 10-10  des atmosphärischen Drucks und werden üblicherweise mit Ionisationsmessgeräten gemessen. Diese Geräte ionisieren einen Teil der verbleibenden (Hintergrund-)Gasmoleküle im Vakuum und die Ionen werden von einer negativ geladenen Elektrode angezogen. Der entstehende Ionenstrom wird gemessen und in einen Druck umgerechnet.

Ionisationsmessgeräte haben jedoch mehrere Nachteile, darunter die Notwendigkeit einer häufigen Kalibrierung; und eine Genauigkeit, die von der Zusammensetzung des Hintergrundgases abhängt. Daher können diese Messgeräte beim Einsatz im UHV erhebliche Messunsicherheiten aufweisen.

Kollidierende Atome

Das magnetische Einfangen von Atomen ist eine wichtige Anwendung, die im UHV durchgeführt wird. Dabei werden neutrale Atome bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt – so können die ultrakalten Atome zur Erforschung der Quanteneigenschaften der Materie genutzt werden. Doch selbst wenn sie im UHV gehalten werden, kollidieren Atome irgendwann mit Restgas und schleudern Atome aus der Falle.

Kürzlich haben Forscher erkannt, dass dieses Problem in einen Vorteil für die Messung des Vakuumdrucks umgewandelt werden könnte. „Im letzten Jahrzehnt haben mehrere Forschungsgruppen daran gearbeitet, den durch Hintergrundgas verursachten Atomverlust, der für die meisten quantenwissenschaftlichen Anwendungen schädlich ist, zur Messung des Vakuumdrucks im UHV-Bereich zu nutzen“, erklärt Barker.

Jüngste Entwicklungen in der Quantenstreutheorie legen nahe, dass die Geschwindigkeit, mit der Atome aus Magnetfallen verloren gehen, vorhersehbar und konsistent mit dem vom Hintergrundgas ausgeübten Druck variieren muss, unabhängig von seiner Zusammensetzung. Infolgedessen wurde in mehreren Studien die Idee untersucht, dass Magnetfallen als Kaltatom-Vakuumstandards verwendet werden könnten, die den Druck anhand der Verlustrate der eingefangenen Atome bestimmen, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist.

Dynamische Expansion

In seiner Studie stellte das NIST-Team dar, dass ein CAVS zur Druckmessung unter UHV-Bedingungen verwendet werden könnte. Die Studie umfasste den Anschluss eines CAVS-Paares an ein dynamisches Expansionssystem, das vom NIST als Goldstandard für Vakuummessungen angesehen wird. Bei diesen Systemen wird eine bekannte Menge Gas in eine Vakuumkammer injiziert und am anderen Ende mit einer sorgfältig kontrollierten Geschwindigkeit wieder entfernt.

„Der dynamische Expansionsstandard legt einen bekannten Vakuumdruck eines bekannten Gases fest, den die beiden CAVS messen sollen“, erklärt Barker. „Wenn der vom dynamischen Expansionsnormal eingestellte Druck und der von den CAVS gemessene Druck innerhalb ihrer Unsicherheiten übereinstimmen, sind die CAVS validiert: Sie sind wirklich an sich genaue Drucknormale für Ultrahochvakuum.“

In ihrem Experiment maßen die Forscher Schwankungen der Kollisionsraten zwischen eingefangenen, ultrakalten Atomen von Lithium und Rubidium und einer Vielzahl von Edelgasen bei Raumtemperatur. Wie bereits frühere Quantenstreuungsberechnungen nahegelegt hatten, waren die von den Magnetfallen-CAVSs gemessenen Verlustraten ein zuverlässiger Standard für den Vakuumdruck.

Die Druckmesswerte eines CAVS sind auch Jahre nach dem Einsatz zuverlässig

Daniel Bärker

„Wir haben festgestellt, dass die CAVSs und der dynamische Expansionsstandard sehr gut übereinstimmen; Sie melden den gleichen Vakuumdruck“, sagt Barker. „Wir wissen jetzt, dass die Druckmesswerte eines CAVS auch Jahre nach dem Einsatz vertrauenswürdig sind.“

Nach ihrem Erfolg hoffen Eckel und sein Team nun, dass Metrologieinstitute auf der ganzen Welt versuchen werden, ihre Ergebnisse zu reproduzieren, indem sie CAVS mit Vakuumdruckmessungen vergleichen, die unter Verwendung ihrer eigenen dynamischen Ausdehnungsstandards durchgeführt wurden. Wenn eine internationale Einigung erzielt werden kann, gehen sie davon aus, dass Vakuumdrücke bald routinemäßig weitaus genauer gemessen werden könnten als mit Ionisationsmessgeräten – zum Vorteil von Forschern, die in Spitzenforschungsbereichen arbeiten.

„Wir gehen davon aus, dass die langfristige Zuverlässigkeit eines CAVS in Beschleunigeranlagen, Gravitationswellendetektoren und Halbleiterfabriken der nächsten Generation von Vorteil sein könnte“, sagt Barker. „NIST plant außerdem die Entwicklung eines CAVS als Kalibrierungsstandard für kommerziell hergestellte Messgeräte.“

Die Forschung ist beschrieben in AVS Quantenwissenschaft.

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