Atomi freddi utilizzati per creare manometri affidabili per il vuoto ultraelevato – Physics World

Atomi freddi utilizzati per creare manometri affidabili per il vuoto ultraelevato – Physics World

Timestamp: 5 settembre 2023 12:25

Pompa per vuoto NIST
Idea interessante: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt e colleghi del NIST hanno sviluppato e testato una tecnica che utilizza atomi freddi per misurare pressioni ultrabasse. (Per gentile concessione: NIST)

Un effetto che normalmente ostacola l’intrappolamento magnetico degli atomi è stato sfruttato per creare un nuovo metodo per misurare la pressione nei sistemi ad ultraalto vuoto (UHV). Stefano Eckel, Daniele Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedčak e colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti hanno dimostrato che le misurazioni effettuate con uno “standard di vuoto con atomi freddi” (CAVS) corrispondono strettamente a un’attuale tecnica standard per effettuare misurazioni della pressione UHV. Il team ritiene che i CAVS potrebbero rivelarsi un modo più affidabile per misurare la pressione rispetto ad alcune tecniche esistenti.

Molte applicazioni nella scienza e nell’industria vengono effettuate in condizioni UHV ed è fondamentale che le pressioni molto basse in tali sistemi siano misurate accuratamente. Le pressioni UHV sono generalmente inferiori a 10-10  della pressione atmosferica e vengono solitamente misurati utilizzando misuratori di ionizzazione. Questi dispositivi ionizzano alcune delle rimanenti molecole di gas (di fondo) nel vuoto e gli ioni vengono attratti da un elettrodo caricato negativamente. La corrente ionica risultante viene misurata e questa viene tradotta in pressione.

Tuttavia, i misuratori di ionizzazione presentano diversi svantaggi, inclusa la necessità di tarature frequenti; e una precisione che dipende dalla composizione del gas di fondo. Di conseguenza, questi misuratori possono presentare incertezze di misura significative se utilizzati in UHV.

Atomi in collisione

L'intrappolamento magnetico degli atomi è un'importante applicazione che viene eseguita in UHV. Si tratta di raffreddare gli atomi neutri fino a avvicinarli allo zero assoluto, consentendo di utilizzare gli atomi ultrafreddi per esplorare le proprietà quantistiche della materia. Tuttavia, anche se trattenuti nell’UHV, gli atomi finiranno per scontrarsi con il gas residuo, facendoli uscire dalla trappola.

Recentemente, i ricercatori si sono resi conto che questo problema potrebbe trasformarsi in un vantaggio per la misurazione della pressione del vuoto. “Negli ultimi dieci anni, diversi gruppi di ricerca hanno lavorato per utilizzare la perdita atomica indotta dal gas di fondo, che è dannosa per la maggior parte delle applicazioni della scienza quantistica, per misurare la pressione del vuoto nella gamma UHV”, spiega Barker.

Recenti sviluppi nella teoria dello scattering quantistico suggeriscono che la velocità con cui gli atomi vengono persi dalle trappole magnetiche deve variare in modo prevedibile e coerente con la pressione esercitata dal gas di fondo, indipendentemente dalla sua composizione. Di conseguenza, diversi studi hanno esplorato l’idea che le trappole magnetiche potrebbero essere utilizzate come standard di vuoto per atomi freddi che determinano la pressione utilizzando il tasso di perdita degli atomi intrappolati, senza necessità di calibrazione.

Espansione dinamica

Nel suo studio, il team del NIST ha dimostrato che un CAVS potrebbe essere utilizzato per misurare la pressione in condizioni UHV. Lo studio prevedeva il collegamento di una coppia di CAVS a un sistema di espansione dinamica, considerato dal NIST il gold standard per la misurazione del vuoto. Questi sistemi funzionano iniettando una quantità nota di gas in una camera a vuoto, quindi rimuovendola dall'altra estremità a una velocità attentamente controllata.

"Lo standard di espansione dinamica imposta una pressione di vuoto nota di un gas noto che i due CAVS possono misurare", spiega Barker. “Se la pressione stabilita dallo standard di espansione dinamica e la pressione misurata dai CAVS concordano entro le loro incertezze, allora i CAVS sono convalidati: sono standard di pressione veramente intrinsecamente accurati per il vuoto ultraelevato”.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno misurato le variazioni nei tassi di collisione tra atomi ultrafreddi di litio e rubidio intrappolati e una varietà di gas nobili a temperatura ambiente. Proprio come avevano suggerito precedenti calcoli di dispersione quantistica, i tassi di perdita misurati dai CAVS della trappola magnetica erano uno standard affidabile per la pressione del vuoto.

Le letture della pressione provenienti da un CAVS saranno affidabili anche anni dopo l'implementazione

Daniele Barker

“Abbiamo scoperto che i CAVS e lo standard di espansione dinamica sono in ottimo accordo; riportano la stessa pressione di vuoto”, afferma Barker. “Ora sappiamo che le letture della pressione provenienti da un CAVS saranno affidabili anche anni dopo il dispiegamento”.

Dopo il successo ottenuto, Eckel e il suo team sperano ora che gli istituti di metrologia di tutto il mondo cerchino di replicare i loro risultati confrontando i CAVS con le misurazioni della pressione del vuoto effettuate utilizzando i propri standard di espansione dinamica. Se si riuscisse a raggiungere un accordo internazionale, si prevede che presto le pressioni del vuoto potrebbero essere misurate di routine in modo molto più accurato rispetto ai misuratori di ionizzazione, a vantaggio dei ricercatori che lavorano in aree di ricerca all’avanguardia.

"Prevediamo che l'affidabilità a lungo termine di un CAVS potrebbe essere vantaggiosa negli impianti di accelerazione, nei rilevatori di onde gravitazionali e nelle fabbriche di semiconduttori di prossima generazione", afferma Barker. "Il NIST prevede inoltre di sviluppare un CAVS come standard di calibrazione per i misuratori prodotti in commercio."

La ricerca è descritta in Scienza quantistica AVS.

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