اتم های سرد برای ایجاد فشارسنج قابل اعتماد برای خلاء فوق العاده بالا استفاده می شود - Physics World

اتم های سرد برای ایجاد فشارسنج قابل اعتماد برای خلاء فوق العاده بالا استفاده می شود - Physics World

تمبر زمان: 5 سپتامبر 2023، 12:25 بعد از ظهر

پمپ خلاء NIST
ایده جالب: دانیل بارکر، استیو اکل، جیم فدچاک، جولیا شرشلیگت و همکاران از NIST تکنیکی را ایجاد و آزمایش کرده‌اند که از اتم‌های سرد برای اندازه‌گیری فشارهای بسیار کم استفاده می‌کند. (با احترام: 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. استفان اکل, دنیل بارکر, جولیا شرشلیگت, جیم فدچاک 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.

بسیاری از کاربردها در علم و صنعت تحت شرایط UHV انجام می شود و بسیار مهم است که فشارهای بسیار پایین در چنین سیستم هایی به دقت اندازه گیری شود. فشار UHV معمولا کمتر از 10 است-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.

با این حال، یونیزاسیون سنج دارای چندین معایب از جمله نیاز به کالیبراسیون مکرر. و دقتی که به ترکیب گاز زمینه بستگی دارد. در نتیجه، این سنج ها می توانند عدم قطعیت های اندازه گیری قابل توجهی را هنگام استفاده در UHV داشته باشند.

برخورد اتم ها

به دام انداختن مغناطیسی اتم ها یک کاربرد مهم است که تحت UHV انجام می شود. این شامل خنک کردن اتم های خنثی تا نزدیک به صفر مطلق است - به اتم های فوق سرد اجازه می دهد تا برای کشف خواص کوانتومی ماده استفاده شوند. با این حال، حتی زمانی که در UHV نگهداری می شوند، اتم ها در نهایت با گاز باقی مانده برخورد می کنند و اتم ها را از تله خارج می کنند.

اخیراً محققان دریافته اند که این مشکل می تواند به مزیتی برای اندازه گیری فشار خلاء تبدیل شود. بارکر توضیح می‌دهد: «در دهه گذشته، چندین گروه تحقیقاتی برای استفاده از اتم‌های ناشی از گاز پس‌زمینه، که برای اکثر کاربردهای علوم کوانتومی مضر است، برای اندازه‌گیری فشار خلاء در محدوده UHV کار کرده‌اند.

پیشرفت‌های اخیر در نظریه پراکندگی کوانتومی نشان می‌دهد که سرعت از دست دادن اتم‌ها از تله‌های مغناطیسی باید به طور قابل پیش‌بینی و سازگاری با فشار اعمال شده توسط گاز پس‌زمینه، بدون توجه به ترکیب آن، متفاوت باشد. در نتیجه، چندین مطالعه این ایده را مورد بررسی قرار داده‌اند که تله‌های مغناطیسی را می‌توان به عنوان استانداردهای خلاء اتم سرد که فشار را با استفاده از نرخ تلفات اتم‌های به دام افتاده تعیین می‌کنند، بدون نیاز به کالیبراسیون استفاده کرد.

گسترش پویا

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.

خوانش فشار از یک CAVS حتی سال ها پس از استقرار قابل اعتماد خواهد بود

دنیل بارکر

ما متوجه شدیم که CAVS ها و استاندارد گسترش پویا با هم تطابق بسیار خوبی دارند. آنها همان فشار خلاء را گزارش می کنند. ما اکنون می دانیم که خوانش فشار از یک CAVS حتی سال ها پس از استقرار قابل اعتماد خواهد بود.

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.

بارکر می‌گوید: «ما پیش‌بینی می‌کنیم که قابلیت اطمینان طولانی‌مدت یک CAVS ممکن است در تأسیسات شتاب‌دهنده، آشکارسازهای امواج گرانشی و تولیدات نیمه‌رساناهای نسل بعدی مفید باشد. NIST همچنین قصد دارد یک CAVS را به عنوان یک استاندارد کالیبراسیون برای اندازه‌گیری‌های تجاری تولید کند.

تحقیق در شرح داده شده است AVS علوم کوانتومی.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک