Zimne atomy użyte do stworzenia niezawodnego manometru do ultrawysokiej próżni – Świat Fizyki

Zimne atomy użyte do stworzenia niezawodnego manometru do ultrawysokiej próżni – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 5 września 2023 12:25

Pompa próżniowa NIST
Fajny pomysł: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt i współpracownicy z NIST opracowali i przetestowali technikę wykorzystującą zimne atomy do pomiaru ultraniskich ciśnień. (Dzięki uprzejmości: NIST)

Efekt, który zwykle utrudnia magnetyczne wychwytywanie atomów, wykorzystano do stworzenia nowej metody pomiaru ciśnienia w układach ultrawysokiej próżni (UHV). Stephena Eckela, Daniela Barkera, Julia Scherschligt, Jim Fedchak i współpracownicy z Amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) wykazali, że pomiary wykonane przy użyciu „wzorca próżni zimnego atomu” (CAVS) ściśle odpowiadają aktualnej standardowej technice wykonywania pomiarów ciśnienia UHV. Zespół jest przekonany, że CAVS mogą okazać się bardziej niezawodną metodą pomiaru ciśnienia niż niektóre istniejące techniki.

Wiele zastosowań w nauce i przemyśle odbywa się w warunkach UHV, dlatego bardzo ważne jest, aby dokładnie mierzyć bardzo niskie ciśnienia w takich systemach. Ciśnienia UHV są zazwyczaj mniejsze niż 10-10  ciśnienia atmosferycznego i zwykle mierzy się je za pomocą mierników jonizacji. Urządzenia te jonizują część pozostałych cząsteczek gazu (tła) w próżni, a jony są przyciągane do ujemnie naładowanej elektrody. Mierzony jest powstały prąd jonowy, który jest przekładany na ciśnienie.

Jednakże mierniki jonizacji mają kilka wad, w tym konieczność częstej kalibracji; oraz dokładność zależną od składu gazu tła. W rezultacie mierniki te mogą charakteryzować się znaczną niepewnością pomiaru, gdy są używane w UHV.

Zderzające się atomy

Magnetyczne wychwytywanie atomów jest ważnym zastosowaniem wykonywanym w warunkach UHV. Polega na ochłodzeniu neutralnych atomów do temperatury bliskiej zera absolutnego, co pozwala na wykorzystanie ultrazimnych atomów do badania właściwości kwantowych materii. Jednak nawet atomy trzymane w UHV w końcu zderzą się z resztkowym gazem, wyrzucając atomy z pułapki.

Niedawno badacze zdali sobie sprawę, że problem ten można przekształcić w zaletę pomiaru podciśnienia. „W ciągu ostatniej dekady kilka grup badawczych pracowało nad wykorzystaniem utraty atomów wywołanej gazem tła, która jest szkodliwa dla większości zastosowań nauki kwantowej, do pomiaru ciśnienia próżni w zakresie UHV” – wyjaśnia Barker.

Ostatnie osiągnięcia w teorii rozpraszania kwantowego sugerują, że tempo utraty atomów z pułapek magnetycznych musi zmieniać się w sposób przewidywalny i spójny z ciśnieniem wywieranym przez gaz tła, niezależnie od jego składu. W rezultacie w kilku badaniach analizowano pomysł, zgodnie z którym pułapki magnetyczne można wykorzystać jako wzorce próżniowe zimnych atomów, które określają ciśnienie na podstawie współczynnika utraty uwięzionych atomów, bez konieczności kalibracji.

Dynamiczna ekspansja

W swoim badaniu zespół NIST wykazał, że CAVS można wykorzystać do pomiaru ciśnienia w warunkach UHV. Badanie obejmowało podłączenie pary CAVS do systemu dynamicznego rozprężania, który jest uważany przez NIST za złoty standard w pomiarach próżni. Systemy te działają poprzez wtryskiwanie znanej ilości gazu do komory próżniowej, a następnie usuwanie go z drugiego końca ze starannie kontrolowaną szybkością.

„Wzorzec dynamicznego rozszerzania wyznacza znane ciśnienie próżni znanego gazu do pomiaru przez dwa CAVS” – wyjaśnia Barker. „Jeśli ciśnienie ustalone przez standard dynamicznego rozszerzania i ciśnienie zmierzone przez CAVS zgadzają się w granicach ich niepewności, wówczas CAVS są zwalidowane: są to naprawdę dokładne wzorce ciśnienia dla ultrawysokiej próżni”.

W swoim eksperymencie naukowcy zmierzyli różnice w szybkości zderzeń pomiędzy uwięzionymi, ultrazimnymi atomami litu i rubidu a różnymi gazami szlachetnymi o temperaturze pokojowej. Tak jak sugerowały poprzednie obliczenia rozpraszania kwantowego, współczynniki strat zmierzone w pułapkach magnetycznych CAVS stanowiły wiarygodny standard dla ciśnienia próżni.

Odczyty ciśnienia z CAVS będą godne zaufania nawet po latach od wdrożenia

Daniela Barkera

„Odkryliśmy, że CAVS i standard dynamicznej ekspansji są bardzo dobrze zgodne; zgłaszają to samo ciśnienie podciśnienia” – mówi Barker. „Teraz wiemy, że odczyty ciśnienia z CAVS będą godne zaufania nawet po latach od wdrożenia”.

Po tym sukcesie Eckel i jego zespół mają teraz nadzieję, że instytuty metrologiczne na całym świecie spróbują powtórzyć swoje wyniki, porównując CAVS z pomiarami ciśnienia podciśnienia wykonanymi przy użyciu ich własnych standardów dynamicznej ekspansji. Oczekują, że jeśli uda się osiągnąć międzynarodowe porozumienie, wkrótce będzie można rutynowo mierzyć ciśnienie podciśnienia znacznie dokładniej niż za pomocą mierników jonizacyjnych – z korzyścią dla badaczy pracujących w najnowocześniejszych obszarach badań.

„Przewidujemy, że długoterminowa niezawodność CAVS może być korzystna w instalacjach akceleratorów, detektorach fal grawitacyjnych i fabrykach półprzewodników nowej generacji” – mówi Barker. „NIST planuje także opracować CAVS jako standard kalibracji dla mierników produkowanych komercyjnie.”

Badania opisano w Nauka kwantowa AVS.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki