Átomos frios usados ​​para criar manômetro confiável para vácuo ultra-alto – Physics World

Átomos frios usados ​​para criar manômetro confiável para vácuo ultra-alto – Physics World

Carimbo de data / hora: 5 de setembro de 2023, 12:25

Bomba de vácuo NIST
Idéia legal: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt e colegas do NIST desenvolveram e testaram uma técnica que usa átomos frios para medir pressões ultrabaixas. (Cortesia: NIST)

Um efeito que normalmente atrapalha o aprisionamento magnético dos átomos foi aproveitado para criar um novo método para medir pressão em sistemas de ultra-alto vácuo (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) mostraram que as medições feitas com um “padrão de vácuo de átomo frio” (CAVS) correspondem estreitamente a uma técnica padrão atual para fazer medições de pressão UHV. A equipe acredita que os CAVS podem ser uma forma mais confiável de medir a pressão do que algumas técnicas existentes.

Muitas aplicações na ciência e na indústria são feitas em condições UHV e é crucial que as pressões muito baixas em tais sistemas sejam medidas com precisão. As pressões UHV são normalmente inferiores a 10-10  da pressão atmosférica e geralmente são medidos usando medidores de ionização. Esses dispositivos ionizam algumas das moléculas de gás restantes (de fundo) no vácuo e os íons são atraídos para um eletrodo carregado negativamente. A corrente iônica resultante é medida e traduzida em pressão.

Contudo, os medidores de ionização têm várias desvantagens, incluindo a necessidade de calibração frequente; e uma precisão que depende da composição do gás de fundo. Como resultado, esses medidores podem ter incertezas de medição significativas quando usados ​​em UHV.

Colidindo átomos

A captura magnética de átomos é uma aplicação importante feita em UHV. Envolve o resfriamento de átomos neutros até perto do zero absoluto – permitindo que os átomos ultrafrios sejam usados ​​para explorar as propriedades quânticas da matéria. No entanto, mesmo quando mantidos em UHV, os átomos acabarão por colidir com o gás residual, tirando os átomos da armadilha.

Recentemente, pesquisadores perceberam que esse problema poderia ser transformado em uma vantagem para medir a pressão do vácuo. “Na última década, vários grupos de pesquisa trabalharam para usar a perda de átomos induzida pelo gás de fundo, que é prejudicial para a maioria das aplicações da ciência quântica, para medir a pressão do vácuo na faixa UHV”, explica Barker.

Desenvolvimentos recentes na teoria da dispersão quântica sugerem que a taxa à qual os átomos são perdidos nas armadilhas magnéticas deve variar de forma previsível e consistente com a pressão exercida pelo gás de fundo, independentemente da sua composição. Como resultado, vários estudos exploraram a ideia de que armadilhas magnéticas poderiam ser usadas como padrões de vácuo de átomos frios que determinam a pressão usando a taxa de perda de átomos presos, sem necessidade de calibração.

Expansão dinâmica

Em seu estudo, a equipe do NIST mostrou que um CAVS poderia ser usado para medir a pressão sob condições UHV. O estudo envolveu anexar um par de CAVSs a um sistema de expansão dinâmica, que é considerado pelo NIST como o padrão ouro para medição de vácuo. Esses sistemas funcionam injetando uma quantidade conhecida de gás em uma câmara de vácuo e removendo-o da outra extremidade a uma taxa cuidadosamente controlada.

“O padrão de expansão dinâmica define uma pressão de vácuo conhecida de um gás conhecido para ser medida pelos dois CAVSs”, explica Barker. “Se a pressão definida pelo padrão de expansão dinâmica e a pressão medida pelos CAVSs concordarem dentro de suas incertezas, então os CAVSs serão validados: eles são padrões de pressão verdadeiramente intrinsecamente precisos para vácuo ultra-alto.”

Em seu experimento, os pesquisadores mediram variações nas taxas de colisão entre átomos ultrafrios de lítio e rubídio presos e uma variedade de gases nobres à temperatura ambiente. Assim como os cálculos anteriores de dispersão quântica sugeriram, as taxas de perda medidas nos CAVSs da armadilha magnética eram um padrão confiável para a pressão do vácuo.

As leituras de pressão de um CAVS serão confiáveis ​​mesmo anos após a implantação

Daniel Barker

“Descobrimos que os CAVSs e o padrão de expansão dinâmica estão em muito boa concordância; eles relatam a mesma pressão de vácuo”, diz Barker. “Agora sabemos que as leituras de pressão de um CAVS serão confiáveis ​​mesmo anos após a implantação.”

Após seu sucesso, Eckel e sua equipe esperam agora que os institutos de metrologia em todo o mundo tentem replicar seus resultados comparando CAVSs com medições de pressão de vácuo feitas usando seus próprios padrões de expansão dinâmica. Se for possível chegar a um acordo internacional, esperam que em breve as pressões de vácuo possam ser medidas rotineiramente com muito mais precisão do que com medidores de ionização – para benefício dos investigadores que trabalham em áreas de investigação de ponta.

“Prevemos que a confiabilidade de longo prazo de um CAVS pode ser vantajosa em instalações de aceleradores, detectores de ondas gravitacionais e fábricas de semicondutores de próxima geração”, diz Barker. “O NIST também planeja desenvolver um CAVS como padrão de calibração para medidores produzidos comercialmente.”

A pesquisa é descrita em Ciência Quântica AVS.

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