Koude atomen gebruikt om betrouwbare manometers voor ultrahoog vacuüm te creëren – Physics World

Koude atomen gebruikt om betrouwbare manometers voor ultrahoog vacuüm te creëren – Physics World

Tijdstempel: 5 september 2023 12:25 uur

NIST-vacuümpomp
Cool idee: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt en collega's van NIST hebben een techniek ontwikkeld en getest die koude atomen gebruikt om ultralage drukken te meten. (Met dank aan: NIST)

Een effect dat normaal gesproken het magnetisch vangen van atomen in de weg staat, is benut om een ​​nieuwe methode te creëren voor het meten van druk in ultrahoogvacuümsystemen (UHV). Stefan Eckel, Daniël Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak en collega's van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben aangetoond dat metingen gedaan met een ‘cold-atom vacuüm standard’ (CAVS) nauw aansluiten bij een huidige standaardtechniek voor het maken van UHV-drukmetingen. Het team is van mening dat CAVS's een betrouwbaardere manier kunnen blijken om de druk te meten dan sommige bestaande technieken.

Veel toepassingen in de wetenschap en industrie worden uitgevoerd onder UHV-omstandigheden en het is van cruciaal belang dat de zeer lage drukken in dergelijke systemen nauwkeurig worden gemeten. UHV-drukken zijn doorgaans minder dan 10-10  van de atmosferische druk en worden gewoonlijk gemeten met behulp van ionisatiemeters. Deze apparaten ioniseren een deel van de resterende (achtergrond)gasmoleculen in een vacuüm en de ionen worden aangetrokken door een negatief geladen elektrode. De resulterende ionenstroom wordt gemeten en vertaald in een druk.

Ionisatiemeters hebben echter verschillende nadelen, waaronder de noodzaak van frequente kalibratie; en een nauwkeurigheid die afhangt van de samenstelling van het achtergrondgas. Als gevolg hiervan kunnen deze meters aanzienlijke meetonzekerheden hebben bij gebruik in UHV.

Botsende atomen

Het magnetisch vangen van atomen is een belangrijke toepassing die onder UHV wordt gedaan. Het gaat om het afkoelen van neutrale atomen tot bijna het absolute nulpunt, waardoor de ultrakoude atomen kunnen worden gebruikt om de kwantumeigenschappen van materie te onderzoeken. Maar zelfs als ze in UHV worden vastgehouden, zullen atomen uiteindelijk in botsing komen met restgas, waardoor atomen uit de val worden gestoten.

Onlangs hebben onderzoekers zich gerealiseerd dat dit probleem een ​​voordeel zou kunnen zijn bij het meten van de vacuümdruk. "De afgelopen tien jaar hebben verschillende onderzoeksgroepen gewerkt aan het gebruik van het door achtergrondgas veroorzaakte atoomverlies, dat schadelijk is voor de meeste kwantumwetenschappelijke toepassingen, om de vacuümdruk in het UHV-bereik te meten", legt Barker uit.

Recente ontwikkelingen in de kwantumverstrooiingstheorie suggereren dat de snelheid waarmee atomen verloren gaan door magnetische vallen voorspelbaar en consistent moet variëren met de druk die wordt uitgeoefend door het achtergrondgas, ongeacht de samenstelling ervan. Als gevolg hiervan hebben verschillende onderzoeken het idee onderzocht dat magnetische vallen kunnen worden gebruikt als vacuümstandaarden voor koude atomen die de druk bepalen met behulp van het verliespercentage van opgesloten atomen, zonder dat kalibratie vereist is.

Dynamische expansie

In zijn onderzoek heeft het NIST-team aangetoond dat een CAVS kan worden gebruikt om de druk onder UHV-omstandigheden te meten. Het onderzoek omvatte het bevestigen van een paar CAVS's aan een dynamisch expansiesysteem, dat door NIST wordt beschouwd als de gouden standaard voor vacuümmetingen. Deze systemen werken door een bekende hoeveelheid gas in een vacuümkamer te injecteren en dit vervolgens met een zorgvuldig gecontroleerde snelheid aan de andere kant te verwijderen.

"De dynamische expansiestandaard stelt een bekende vacuümdruk van een bekend gas in die de twee CAVS's kunnen meten", legt Barker uit. "Als de druk die wordt ingesteld door de dynamische expansiestandaard en de druk gemeten door de CAVS's binnen hun onzekerheden overeenkomen, dan zijn de CAVS's gevalideerd: het zijn werkelijk intrinsiek nauwkeurige drukstandaarden voor ultrahoog vacuüm."

In hun experiment maten de onderzoekers variaties in de botsingsfrequentie tussen gevangen, ultrakoude atomen van lithium en rubidium, en een verscheidenheid aan edelgassen op kamertemperatuur. Net zoals eerdere kwantumverstrooiingsberekeningen hadden gesuggereerd, waren de verliespercentages die ze maten bij de CAVS's van de magnetische val een betrouwbare standaard voor vacuümdruk.

Drukmetingen van een CAVS zullen zelfs jaren na inzet betrouwbaar zijn

Daniël Barker

“We ontdekten dat de CAVS’s en de dynamische expansiestandaard zeer goed overeenkomen; ze rapporteren dezelfde vacuümdruk”, zegt Barker. “We weten nu dat de drukmetingen van een CAVS zelfs jaren na de inzet nog betrouwbaar zullen zijn.”

Na hun succes hopen Eckel en zijn team nu dat metrologie-instituten over de hele wereld zullen proberen hun resultaten te repliceren door CAVS's te vergelijken met vacuümdrukmetingen die zijn gedaan met behulp van hun eigen dynamische expansiestandaarden. Als er een internationale overeenkomst kan worden bereikt, verwachten ze dat de vacuümdruk binnenkort routinematig veel nauwkeuriger kan worden gemeten dan met ionisatiemeters – in het voordeel van onderzoekers die werkzaam zijn op de allernieuwste onderzoeksgebieden.

"We verwachten dat de betrouwbaarheid van een CAVS op de lange termijn voordelig kan zijn in versnellerfaciliteiten, zwaartekrachtgolfdetectoren en halfgeleiderfabrieken van de volgende generatie", zegt Barker. “NIST is ook van plan een CAVS te ontwikkelen als kalibratiestandaard voor commercieel geproduceerde meters.”

Het onderzoek is beschreven in AVS Kwantumwetenschap.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld