Kalde atomer brukes til å lage pålitelig trykkmåler for ultrahøyt vakuum – Physics World

Kalde atomer brukes til å lage pålitelig trykkmåler for ultrahøyt vakuum – Physics World

Tidsstempel: 5. september 2023 12:25

NIST vakuumpumpe
Kul idé: NISTs Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt og kolleger har utviklet og testet en teknikk som bruker kalde atomer til å måle ultralavt trykk. (Med tillatelse: NIST)

En effekt som vanligvis kommer i veien for magnetisk fangst av atomer har blitt utnyttet for å lage en ny metode for å måle trykk i ultrahøyt vakuum (UHV) systemer. Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak og kolleger ved US National Institute of Standards and Technology (NIST) har vist at målinger gjort med en "cold-atom vacuum standard" (CAVS) samsvarer tett med en gjeldende standardteknikk for å utføre UHV-trykkmålinger. Teamet mener at CAVS-er kan vise seg å være en mer pålitelig måte å måle trykk på enn noen eksisterende teknikker.

Mange applikasjoner innen vitenskap og industri gjøres under UHV-forhold, og det er avgjørende at de svært lave trykket i slike systemer måles nøyaktig. UHV-trykk er vanligvis mindre enn 10-10  av atmosfærisk trykk og måles vanligvis ved hjelp av ioniseringsmålere. Disse enhetene ioniserer noen av de gjenværende (bakgrunns)gassmolekylene i et vakuum og ionene tiltrekkes av en negativt ladet elektrode. Den resulterende ionestrømmen måles og dette omsettes til et trykk.

Imidlertid har ioniseringsmålere flere ulemper, inkludert behovet for hyppig kalibrering; og en nøyaktighet som avhenger av sammensetningen av bakgrunnsgassen. Som et resultat kan disse målerne ha betydelige måleusikkerheter når de brukes i UHV.

Kolliderende atomer

Den magnetiske fangsten av atomer er en viktig applikasjon som gjøres under UHV. Det innebærer å avkjøle nøytrale atomer til nær absolutt null - slik at de ultrakalde atomene kan brukes til å utforske materiens kvanteegenskaper. Men selv når de holdes i UHV, vil atomer til slutt kollidere med gjenværende gass, og slå atomer ut av fellen.

Nylig har forskere innsett at dette problemet kan gjøres om til en fordel for måling av vakuumtrykk. "I løpet av det siste tiåret har flere forskningsgrupper jobbet for å bruke bakgrunnsgassindusert atomtapet, som er skadelig for de fleste kvantevitenskapelige applikasjoner, for å måle vakuumtrykk i UHV-området," forklarer Barker.

Nyere utvikling innen kvantespredningsteori antyder at hastigheten som atomer går tapt fra magnetiske feller må variere forutsigbart og konsistent med trykket som utøves av bakgrunnsgassen, uavhengig av dens sammensetning. Som et resultat har flere studier utforsket ideen om at magnetiske feller kan brukes som kaldatomvakuumstandarder som bestemmer trykket ved å bruke tapshastigheten til fangede atomer, uten kalibrering nødvendig.

Dynamisk utvidelse

I sin studie viste NIST-teamet at en CAVS kunne brukes til å måle trykk under UHV-forhold. Studien innebar å feste et par CAVS-er til et dynamisk ekspansjonssystem, som av NIST anses som gullstandarden for vakuummåling. Disse systemene fungerer ved å injisere en kjent mengde gass i et vakuumkammer, og deretter fjerne den fra den andre enden med en nøye kontrollert hastighet.

"Den dynamiske ekspansjonsstandarden setter et kjent vakuumtrykk for en kjent gass for de to CAVS-ene å måle," forklarer Barker. "Hvis trykket satt av den dynamiske ekspansjonsstandarden og trykket målt av CAVS-ene stemmer overens innenfor deres usikkerhet, er CAVS-ene validert: de er virkelig nøyaktige trykkstandarder for ultrahøyt vakuum."

I eksperimentet deres målte forskerne variasjoner i kollisjonshastigheter mellom fangede, ultrakalde atomer av litium og rubidium, og en rekke romtemperatur-edelgasser. Akkurat som tidligere kvantespredningsberegninger hadde antydet, var tapsratene de målte fra den magnetiske fellen CAVS en pålitelig standard for vakuumtrykk.

Trykkavlesninger fra en CAVS vil være pålitelige selv år etter utplassering

Daniel Barker

«Vi fant ut at CAVS-ene og den dynamiske ekspansjonsstandarden stemmer veldig godt overens; de rapporterer det samme vakuumtrykket, sier Barker. "Vi vet nå at trykkavlesninger fra en CAVS vil være pålitelige selv år etter utplassering."

Etter suksessen håper Eckel og teamet nå at metrologiinstitutter over hele verden vil prøve å gjenskape resultatene deres ved å sammenligne CAVS-er med vakuumtrykkmålinger gjort ved hjelp av deres egne dynamiske ekspansjonsstandarder. Hvis en internasjonal avtale kan oppnås, forventer de at vakuumtrykk snart kan måles rutinemessig langt mer nøyaktig enn med ioniseringsmålere – til fordel for forskere som arbeider innen banebrytende forskningsområder.

"Vi forventer at den langsiktige påliteligheten til en CAVS kan være fordelaktig i akseleratoranlegg, gravitasjonsbølgedetektorer og neste generasjons halvlederfabrikker," sier Barker. "NIST planlegger også å utvikle en CAVS som en kalibreringsstandard for kommersielt produserte målere."

Forskningen er beskrevet i AVS kvantevitenskap.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden