אטומים קרים המשמשים ליצירת מד לחץ אמין עבור ואקום גבוה במיוחד - עולם הפיזיקה

אפקט שבדרך כלל מפריע ללכידה מגנטית של אטומים נרתמה ליצירת שיטה חדשה למדידת לחץ במערכות ואקום אולטרה-גבוה (UHV). סטיבן אקל, דניאל בארקר, יוליה שרשליגט, ג'ים פדצ'ק ועמיתים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב (NIST) הראו כי מדידות שנעשו עם "תקן ואקום אטום קר" (CAVS) תואמות באופן הדוק לטכניקה הסטנדרטית הנוכחית לביצוע מדידות לחץ UHV. הצוות מאמין ש-CAVSs יכולים להתגלות כדרך אמינה יותר למדידת לחץ מאשר כמה טכניקות קיימות.

יישומים רבים במדע ובתעשייה נעשים בתנאי UHV וחשוב שהלחצים הנמוכים מאוד במערכות כאלה יימדדו במדויק. לחצי UHV הם בדרך כלל פחות מ-10^-10  של לחץ אטמוספרי ונמדדים בדרך כלל באמצעות מדי יינון. התקנים אלו מייננים חלק ממולקולות הגז הנותרות (ברקע) בוואקום והיונים נמשכים לאלקטרודה בעלת מטען שלילי. זרם היונים המתקבל נמדד וזה מתורגם ללחץ.

עם זאת, למדדי יינון יש כמה חסרונות כולל הצורך בכיול תכוף; ודיוק שתלוי בהרכב גז הרקע. כתוצאה מכך, למדדים אלה יכולים להיות אי ודאויות מדידה משמעותיות בשימוש ב-UHV.

אטומים מתנגשים

לכידה מגנטית של אטומים היא יישום חשוב שנעשה תחת UHV. זה כרוך בקירור אטומים ניטרליים לקרוב לאפס המוחלט - מה שמאפשר להשתמש באטומים האולטרה-קרים כדי לחקור את התכונות הקוונטיות של החומר. עם זאת, גם כאשר הם מחזיקים ב-UHV, אטומים יתנגשו בסופו של דבר עם שאריות גז, ויוציאו אטומים מהמלכודת.

לאחרונה, חוקרים הבינו שניתן להפוך בעיה זו ליתרון למדידת לחץ ואקום. "בעשור האחרון, מספר קבוצות מחקר עבדו כדי להשתמש באובדן האטום המושרה על רקע גז, אשר מזיק לרוב יישומי מדעי הקוונטים, כדי למדוד לחץ ואקום בטווח UHV", מסביר בארקר.

ההתפתחויות האחרונות בתורת הפיזור הקוונטי מצביעות על כך שהקצב שבו אטומים אובדים ממלכודות מגנטיות חייב להשתנות באופן צפוי ועקבי עם הלחץ שמפעיל גז הרקע, ללא קשר להרכבו. כתוצאה מכך, מספר מחקרים חקרו את הרעיון שמלכודות מגנטיות יכולות לשמש כתקני ואקום של אטומים קרים הקובעים לחץ תוך שימוש בקצב ההפסד של האטומים הכלואים, ללא צורך בכיול.

הרחבה דינמית

במחקר שלו, צוות NIST הראה כי ניתן להשתמש ב-CAVS למדידת לחץ בתנאי UHV. המחקר כלל חיבור של זוג CAVS למערכת הרחבה דינמית, הנחשבת על ידי NIST כסטנדרט הזהב למדידת ואקום. מערכות אלו פועלות על ידי הזרקת כמות ידועה של גז לתא ואקום, ולאחר מכן הוצאתו מהקצה השני בקצב מבוקר בקפידה.

"תקן ההתפשטות הדינמית קובע לחץ ואקום ידוע של גז ידוע עבור שני ה-CAVS למדוד", מסביר בארקר. "אם הלחץ שנקבע על ידי תקן ההתפשטות הדינמית והלחץ הנמדד על ידי ה-CAVS מתאימים לחוסר הוודאות שלהם, אז ה-CAVS מאומתים: הם באמת תקני לחץ מדויקים מהותית עבור ואקום אולטרה-גבוה."

בניסוי שלהם, החוקרים מדדו שינויים בשיעורי ההתנגשות בין אטומים לכודים, קרים במיוחד של ליתיום ורובידיום, לבין מגוון גזים אצילים בטמפרטורת החדר. בדיוק כפי שהציעו חישובי פיזור קוונטי קודמים, שיעורי ההפסד שהם מדדו מהמלכודת המגנטית CAVS היו תקן אמין ללחץ ואקום.

קריאות הלחץ מ-CAVS יהיו אמינות גם שנים לאחר הפריסה

דניאל בארקר

"מצאנו שה-CAVS ותקן ההרחבה הדינמי מתאימים מאוד; הם מדווחים על אותו לחץ ואקום", אומר בארקר. "עכשיו אנחנו יודעים שקריאות לחץ מ-CAVS יהיו אמינות גם שנים לאחר הפריסה."

משאבת ואקום זעירה מודפסת בתלת מימד יכולה לתת דחיפה לספקטרומטריית המסה

בעקבות הצלחתם, אקל ​​והצוות מקווים כעת שמכוני מטרולוגיה ברחבי העולם ינסו לשכפל את התוצאות שלהם על ידי השוואת CAVS עם מדידות לחץ ואקום שנעשו באמצעות תקני התרחבות דינמיים משלהם. אם ניתן יהיה להגיע להסכמה בינלאומית, הם מצפים שבקרוב ניתן יהיה למדוד באופן שגרתי את לחצי הוואקום בצורה הרבה יותר מדויקת מאשר במדדי יינון - לטובת החוקרים העובדים בתחומי מחקר חדשניים.

"אנו צופים שהאמינות ארוכת הטווח של CAVS עשויה להיות יתרון במתקני מאיץ, גלאי גלי כבידה ומעבדי מוליכים למחצה מהדור הבא", אומר בארקר. "NIST גם מתכננת לפתח CAVS כתקן כיול עבור מדידים המיוצרים באופן מסחרי."

המחקר מתואר ב AVS Quantum Science.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. רכב / רכבים חשמליים, פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• ChartPrime. הרם את משחק המסחר שלך עם ChartPrime. גישה כאן.
• BlockOffsets. מודרניזציה של בעלות על קיזוז סביבתי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/cold-atoms-used-to-create-reliable-pressure-gauge-for-ultra-high-vacuum/