Atom dingin digunakan untuk membuat pengukur tekanan yang andal untuk vakum sangat tinggi – Dunia Fisika

Atom dingin digunakan untuk membuat pengukur tekanan yang andal untuk vakum sangat tinggi – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 5 September 2023 12

pompa vakum NIST
Ide keren: Daniel Barker dari NIST, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt dan rekannya telah mengembangkan dan menguji teknik yang menggunakan atom dingin untuk mengukur tekanan sangat rendah. (Sumber: NIST)

Efek yang biasanya menghalangi terperangkapnya atom secara magnetis telah dimanfaatkan untuk menciptakan metode baru untuk mengukur tekanan dalam sistem vakum ultratinggi (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak dan rekan-rekannya di Institut Standar dan Teknologi Nasional AS (NIST) telah menunjukkan bahwa pengukuran yang dilakukan dengan “standar vakum atom dingin” (CAVS) sangat cocok dengan teknik standar saat ini untuk melakukan pengukuran tekanan UHV. Tim percaya bahwa CAVS bisa menjadi cara yang lebih dapat diandalkan untuk mengukur tekanan dibandingkan beberapa teknik yang ada.

Banyak penerapan dalam sains dan industri dilakukan dalam kondisi UHV dan tekanan yang sangat rendah dalam sistem tersebut harus diukur secara akurat. Tekanan UHV biasanya kurang dari 10-10  tekanan atmosfer dan biasanya diukur menggunakan alat pengukur ionisasi. Perangkat ini mengionisasi beberapa molekul gas (latar belakang) yang tersisa dalam ruang hampa dan ion-ion tersebut tertarik ke elektroda bermuatan negatif. Arus ion yang dihasilkan diukur dan ini diubah menjadi tekanan.

Namun, pengukur ionisasi memiliki beberapa kelemahan termasuk perlunya kalibrasi yang sering; dan akurasi yang bergantung pada komposisi gas latar. Akibatnya, alat pengukur ini dapat mempunyai ketidakpastian pengukuran yang signifikan ketika digunakan dalam UHV.

Tabrakan atom

Penangkapan atom secara magnetis merupakan aplikasi penting yang dilakukan pada UHV. Ini melibatkan pendinginan atom netral hingga mendekati nol mutlak – memungkinkan atom ultradingin digunakan untuk mengeksplorasi sifat kuantum materi. Bahkan ketika ditahan dalam UHV, atom pada akhirnya akan bertabrakan dengan gas sisa, sehingga atom keluar dari perangkapnya.

Baru-baru ini, para peneliti menyadari bahwa masalah ini dapat diubah menjadi keuntungan untuk mengukur tekanan vakum. “Selama dekade terakhir, beberapa kelompok penelitian telah berupaya menggunakan hilangnya atom yang disebabkan oleh gas latar, yang merugikan sebagian besar aplikasi ilmu kuantum, untuk mengukur tekanan vakum dalam kisaran UHV,” jelas Barker.

Perkembangan terkini dalam teori hamburan kuantum menunjukkan bahwa laju hilangnya atom dari perangkap magnet harus bervariasi secara konsisten dan dapat diprediksi dengan tekanan yang diberikan oleh gas latar, apa pun komposisinya. Hasilnya, beberapa penelitian telah mengeksplorasi gagasan bahwa perangkap magnet dapat digunakan sebagai standar vakum atom dingin yang menentukan tekanan menggunakan laju hilangnya atom yang terperangkap, tanpa memerlukan kalibrasi.

Ekspansi dinamis

Dalam studinya, tim NIST menunjukkan bahwa CAVS dapat digunakan untuk mengukur tekanan dalam kondisi UHV. Studi ini melibatkan pemasangan sepasang CAVS ke sistem ekspansi dinamis, yang dianggap oleh NIST sebagai standar emas untuk pengukuran vakum. Sistem ini bekerja dengan menyuntikkan sejumlah gas ke dalam ruang vakum, kemudian mengeluarkannya dari ujung yang lain dengan kecepatan yang dikontrol dengan cermat.

“Standar ekspansi dinamis menetapkan tekanan vakum yang diketahui dari gas yang diketahui untuk diukur oleh kedua CAVS,” jelas Barker. “Jika tekanan yang ditetapkan oleh standar ekspansi dinamis dan tekanan yang diukur oleh CAVS sesuai dengan ketidakpastiannya, maka CAVS tervalidasi: keduanya benar-benar merupakan standar tekanan yang akurat secara intrinsik untuk vakum ultratinggi.”

Dalam percobaan mereka, para peneliti mengukur variasi laju tumbukan antara atom litium dan rubidium yang sangat dingin dan berbagai gas mulia bersuhu ruangan. Seperti yang disarankan oleh perhitungan hamburan kuantum sebelumnya, tingkat kehilangan yang mereka ukur dari CAVS perangkap magnet adalah standar yang dapat diandalkan untuk tekanan vakum.

Pembacaan tekanan dari CAVS akan dapat dipercaya bahkan bertahun-tahun setelah penerapannya

Daniel Barker

“Kami menemukan bahwa CAVS dan standar ekspansi dinamis berada dalam kesepakatan yang sangat baik; mereka melaporkan tekanan vakum yang sama,” kata Barker. “Kami sekarang tahu bahwa pembacaan tekanan dari CAVS akan dapat dipercaya bahkan bertahun-tahun setelah penerapannya.”

Menyusul kesuksesan mereka, Eckel dan timnya kini berharap lembaga metrologi di seluruh dunia akan mencoba meniru hasil mereka dengan membandingkan CAVS dengan pengukuran tekanan vakum yang dilakukan menggunakan standar ekspansi dinamis mereka sendiri. Jika kesepakatan internasional dapat dicapai, mereka berharap bahwa tekanan vakum dapat segera diukur secara rutin dengan jauh lebih akurat dibandingkan dengan alat pengukur ionisasi – sehingga bermanfaat bagi para peneliti yang bekerja di bidang penelitian mutakhir.

“Kami mengantisipasi bahwa keandalan CAVS dalam jangka panjang mungkin bermanfaat dalam fasilitas akselerator, detektor gelombang gravitasi, dan pabrik semikonduktor generasi berikutnya,” kata Barker. “NIST juga berencana mengembangkan CAVS sebagai standar kalibrasi untuk alat pengukur yang diproduksi secara komersial.”

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Ilmu Kuantum AVS.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika