Kylmiä atomeja käytetään luotettavan painemittarin luomiseen ultrakorkeaa tyhjiötä varten – Physics World

Kylmiä atomeja käytetään luotettavan painemittarin luomiseen ultrakorkeaa tyhjiötä varten – Physics World

Aikaleima: 5. syyskuuta 2023 12

NIST tyhjiöpumppu
Hieno idea: NIST:n Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt ja kollegat ovat kehittäneet ja testaanneet tekniikan, joka käyttää kylmiä atomeja ultramatalien paineiden mittaamiseen. (Kohtelias: NIST)

Normaalisti atomien magneettisen vangitsemisen tielle jäävä vaikutus on valjastettu luomaan uusi menetelmä paineen mittaamiseen ultrahigh vacuum (UHV) -järjestelmissä. Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak ja kollegat Yhdysvaltain kansallisessa standardointi- ja teknologiainstituutissa (NIST) ovat osoittaneet, että "kylmän atomin tyhjiöstandardilla" (CAVS) tehdyt mittaukset vastaavat tarkasti nykyistä standarditekniikkaa UHV-painemittauksissa. Tiimi uskoo, että CAVS:t voisivat osoittautua luotettavammaksi paineen mittaustavaksi kuin jotkut olemassa olevat tekniikat.

Monet sovellukset tieteessä ja teollisuudessa tehdään UHV-olosuhteissa, ja on ratkaisevan tärkeää, että tällaisten järjestelmien erittäin alhaiset paineet mitataan tarkasti. UHV-paineet ovat tyypillisesti alle 10-10  ilmakehän paineesta ja mitataan yleensä ionisaatiomittareilla. Nämä laitteet ionisoivat osan jäljellä olevista (tausta) kaasumolekyyleistä tyhjiössä ja ionit vetäytyvät negatiivisesti varautuneeseen elektrodiin. Tuloksena oleva ionivirta mitataan ja se muunnetaan paineeksi.

Ionisointimittareissa on kuitenkin useita haittoja, mukaan lukien toistuvan kalibroinnin tarve; ja tarkkuus, joka riippuu taustakaasun koostumuksesta. Tämän seurauksena näillä mittareilla voi olla merkittäviä mittausepävarmuuksia, kun niitä käytetään UHV:ssä.

Törmäävät atomit

Atomien magneettinen pyydystäminen on tärkeä sovellus, joka tehdään UHV:ssä. Se sisältää neutraalien atomien jäähdyttämisen lähelle absoluuttista nollaa, jolloin ultrakylmiä atomeja voidaan käyttää aineen kvanttiominaisuuksien tutkimiseen. Silti jopa UHV:ssä pidettäessä atomit törmäävät lopulta jäännöskaasun kanssa, jolloin atomit irti ansasta.

Viime aikoina tutkijat ovat ymmärtäneet, että tämä ongelma voitaisiin muuttaa eduksi tyhjiöpaineen mittaamisessa. "Viime vuosikymmenen aikana useat tutkimusryhmät ovat työskennelleet käyttääkseen taustakaasun aiheuttamaa atomihäviötä, joka on haitallista useimmille kvanttitieteen sovelluksille, mittaamaan tyhjiöpainetta UHV-alueella", Barker selittää.

Kvanttisirontateorian viimeaikainen kehitys viittaa siihen, että nopeuden, jolla atomit häviävät magneettisista ansoista, täytyy vaihdella ennustettavasti ja johdonmukaisesti taustakaasun kohdistaman paineen kanssa sen koostumuksesta riippumatta. Tämän seurauksena useat tutkimukset ovat tutkineet ajatusta, että magneettiloukkuja voitaisiin käyttää kylmäatomin tyhjiöstandardeina, jotka määrittävät paineen käyttämällä loukkuun jääneiden atomien häviönopeutta ilman kalibrointia.

Dynaaminen laajentuminen

NIST-tiimi osoitti tutkimuksessaan, että CAVS-järjestelmää voidaan käyttää paineen mittaamiseen UHV-olosuhteissa. Tutkimus sisälsi CAVS-parin liittämisen dynaamiseen laajennusjärjestelmään, jota NIST pitää alipainemittauksen kultastandardina. Nämä järjestelmät toimivat ruiskuttamalla tunnetun määrän kaasua tyhjiökammioon ja poistamalla sen sitten toisesta päästä tarkasti valvotulla nopeudella.

"Dynaaminen laajenemisstandardi asettaa tunnetun kaasun alipaineen tunnetun kaasun mitattavaksi kahdelle CAVS:lle", Barker selittää. "Jos dynaamisen laajenemisstandardin asettama paine ja CAVS:iden mittaama paine täsmäävät epävarmuuksiensa rajoissa, CAVS:t on validoitu: ne ovat todella tarkkoja painestandardeja ultrakorkealle tyhjiölle."

Kokeessaan tutkijat mittasivat eroja törmäysmäärissä loukkuun jääneiden, erittäin kylmien litium- ja rubidiumatomien ja useiden huoneenlämpöisten jalokaasujen välillä. Aivan kuten aikaisemmat kvanttisirontalaskelmat olivat ehdottaneet, niiden magneettiluukun CAVS-mittaushäviönopeudet olivat luotettava standardi tyhjiöpaineelle.

CAVS:n painelukemat ovat luotettavia jopa vuosia käyttöönoton jälkeen

Daniel Barker

”Huomasimme, että CAVS:t ja dynaaminen laajennusstandardi sopivat erittäin hyvin yhteen; he raportoivat saman tyhjiöpaineen", Barker sanoo. "Tiedämme nyt, että CAVS:n painelukemat ovat luotettavia jopa vuosia käyttöönoton jälkeen."

Menestyksensä jälkeen Eckel ja tiimi toivovat nyt, että metrologian laitokset ympäri maailmaa yrittävät toistaa tuloksiaan vertaamalla CAVS-mittauksia tyhjiöpainemittauksiin, jotka on tehty omilla dynaamisilla laajenemisstandardeilla. Jos kansainvälinen sopimus saadaan aikaan, he odottavat, että tyhjiöpaineet voitaisiin pian rutiininomaisesti mitata paljon tarkemmin kuin ionisaatiomittareilla – mikä hyödyttäisi huippututkimuksen aloilla työskenteleviä tutkijoita.

"Odotamme, että CAVS:n pitkän aikavälin luotettavuus voi olla edullista kiihdytintiloissa, gravitaatioaaltoilmaisimissa ja seuraavan sukupolven puolijohderakenteissa", Barker sanoo. "NIST aikoo myös kehittää CAVS:n kalibrointistandardiksi kaupallisesti tuotetuille mittareille."

Tutkimusta kuvataan AVS kvanttitiede.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma