Hideg atomok segítségével megbízható nyomásmérőt hoztak létre ultranagy vákuumhoz – Fizika világa

Hideg atomok segítségével megbízható nyomásmérőt hoztak létre ultranagy vákuumhoz – Fizika világa

Időbélyeg: 5. szeptember 2023. 12:25

NIST vákuumszivattyú
Remek ötlet: a NIST munkatársai, Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt és munkatársai olyan technikát fejlesztettek ki és teszteltek, amely hideg atomokat használ az ultraalacsony nyomás mérésére. (jóvoltából: NIST)

Az atomok mágneses csapdázását általában akadályozó hatást egy új módszer létrehozására használták fel az ultranagy vákuum (UHV) rendszerek nyomásmérésére. Stephen Eckel, Daniel Barker, Scherschligt Júlia, Jim Fedchak és munkatársai az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetében (NIST) kimutatták, hogy a „hidegatomos vákuumstandard” (CAVS) segítségével végzett mérések szorosan illeszkednek az UHV nyomásmérések jelenlegi szabványos technikájához. A csapat úgy véli, hogy a CAVS-ek megbízhatóbb módszernek bizonyulhatnak a nyomásmérésben, mint néhány létező technika.

A tudományban és az iparban számos alkalmazás UHV-körülmények között történik, és kulcsfontosságú, hogy az ilyen rendszerekben a nagyon alacsony nyomásokat pontosan mérjék. Az UHV nyomás általában 10 alatt van-10  légköri nyomás, és általában ionizációs mérőkkel mérik. Ezek az eszközök a megmaradt (háttér) gázmolekulák egy részét vákuumban ionizálják, és az ionokat egy negatív töltésű elektróda vonzza. A keletkező ionáramot mérik, és ezt nyomássá alakítják.

Az ionizációs mérőeszközöknek azonban számos hátránya van, beleértve a gyakori kalibrálás szükségességét; és a háttérgáz összetételétől függő pontosság. Ennek eredményeként ezeknek a mérőeszközöknek jelentős mérési bizonytalanságaik lehetnek, ha UHV-ben használják őket.

Összeütköző atomok

Az atomok mágneses befogása fontos alkalmazás, amelyet UHV alatt végeznek. Ez magában foglalja a semleges atomok abszolút nulla közelébe történő hűtését – lehetővé téve az ultrahideg atomok felhasználását az anyag kvantumtulajdonságainak feltárására. Még ha UHV-ben tartják is, az atomok végül összeütköznek a maradék gázzal, és kiütik az atomokat a csapdából.

A közelmúltban a kutatók rájöttek, hogy ez a probléma előnyt jelenthet a vákuumnyomás mérésénél. „Az elmúlt évtizedben több kutatócsoport dolgozott azon, hogy a háttérgáz által kiváltott atomveszteséget, amely a legtöbb kvantumtudományi alkalmazás számára káros, felhasználja az UHV tartományban lévő vákuumnyomás mérésére” – magyarázza Barker.

A kvantumszóráselmélet legújabb fejleményei arra utalnak, hogy a mágneses csapdákból az atomok elvesztésének sebességének előre láthatóan és a háttérgáz által kifejtett nyomással összhangban kell változnia, függetlenül annak összetételétől. Ennek eredményeként számos tanulmány feltárta azt az elképzelést, hogy a mágneses csapdákat hidegatomos vákuumstandardokként lehetne használni, amelyek kalibrálás nélkül határozzák meg a nyomást a csapdába esett atomok veszteségi sebessége alapján.

Dinamikus terjeszkedés

Tanulmányában a NIST csapata kimutatta, hogy a CAVS használható nyomásmérésre UHV körülmények között. A tanulmány során egy pár CAVS-t csatlakoztattak egy dinamikus tágulási rendszerhez, amelyet a NIST a vákuummérés aranystandardjának tekint. Ezek a rendszerek úgy működnek, hogy ismert mennyiségű gázt fecskendeznek be egy vákuumkamrába, majd gondosan szabályozott sebességgel távolítják el a másik végből.

„A dinamikus tágulási szabvány egy ismert gáz ismert vákuumnyomását állítja be a két CAVS méréséhez” – magyarázza Barker. „Ha a dinamikus tágulási szabvány által beállított nyomás és a CAVS-ek által mért nyomás megegyezik a bizonytalanságukon belül, akkor a CAVS-ek validáltak: valóban eleve pontos nyomásszabványok az ultranagy vákuum számára.”

Kísérletük során a kutatók a bezárt, ultrahideg lítium- és rubídiumatomok, valamint különféle szobahőmérsékletű nemesgázok ütközési arányának változásait mérték. Ahogy a korábbi kvantumszórási számítások is sugallták, a mágneses csapda CAVS-eiből mért veszteségarányok megbízható szabványt jelentettek a vákuumnyomásra.

A CAVS-ből származó nyomásleolvasások még évekkel a telepítés után is megbízhatóak lesznek

Daniel Barker

„Azt találtuk, hogy a CAVS-ek és a dinamikus terjeszkedési szabvány nagyon jó összhangban vannak; ugyanazt a vákuumnyomást jelentik” – mondja Barker. „Most már tudjuk, hogy a CAVS-ből származó nyomásleolvasások még évekkel a telepítés után is megbízhatóak lesznek.”

Sikerüket követően az Eckel és csapata most azt reméli, hogy a metrológiai intézetek szerte a világon megpróbálják megismételni eredményeiket a CAVS-ek és a saját dinamikus tágulási szabványaik alapján végzett vákuumnyomás-mérések összehasonlításával. Ha sikerül nemzetközi megállapodást kötni, arra számítanak, hogy a vákuumnyomást hamarosan sokkal pontosabban lehet majd mérni, mint az ionizációs mérőeszközökkel – ami a legmodernebb kutatási területeken dolgozó kutatók javára válik.

„Arra számítunk, hogy a CAVS hosszú távú megbízhatósága előnyös lehet a gyorsítóberendezésekben, a gravitációs hullámdetektorokban és a következő generációs félvezető gyárakban” – mondja Barker. "A NIST azt is tervezi, hogy CAVS-t dolgoz ki a kereskedelmi forgalomban előállított mérőeszközök kalibrációs szabványaként."

A kutatás leírása a AVS kvantumtudomány.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa