Atomi reci utilizați pentru a crea un manometru fiabil pentru vid ultraînalt – Physics World

Atomi reci utilizați pentru a crea un manometru fiabil pentru vid ultraînalt – Physics World

Marca temporală: 5 septembrie 2023 12:25

Pompa de vid NIST
Idee grozavă: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt și colegii de la NIST au dezvoltat și testat o tehnică care folosește atomi reci pentru a măsura presiuni ultra-scăzute. (Cu amabilitatea: NIST)

Un efect care în mod normal împiedică captarea magnetică a atomilor a fost valorificat pentru a crea o nouă metodă de măsurare a presiunii în sistemele cu vid ultraînalt (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak și colegii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) au arătat că măsurătorile efectuate cu un „standard de vid cu atom rece” (CAVS) se potrivesc îndeaproape cu o tehnică standard curentă pentru efectuarea măsurătorilor de presiune UHV. Echipa consideră că CAVS-urile s-ar putea dovedi a fi o modalitate mai fiabilă de măsurare a presiunii decât unele tehnici existente.

Multe aplicații în știință și industrie sunt realizate în condiții UHV și este crucial ca presiunile foarte scăzute din astfel de sisteme să fie măsurate cu precizie. Presiunile UHV sunt de obicei mai mici de 10-10  a presiunii atmosferice și sunt de obicei măsurate cu ajutorul manometrelor de ionizare. Aceste dispozitive ionizează unele dintre moleculele de gaz rămase (de fundal) în vid, iar ionii sunt atrași de un electrod încărcat negativ. Se măsoară curentul ionic rezultat și acesta este tradus într-o presiune.

Cu toate acestea, manometrele de ionizare au mai multe dezavantaje, inclusiv necesitatea unei calibrari frecvente; și o precizie care depinde de compoziția gazului de fond. Ca rezultat, aceste instrumente pot avea incertitudini semnificative de măsurare atunci când sunt utilizate în UHV.

Ciocnirea atomilor

Captarea magnetică a atomilor este o aplicație importantă care se face sub UHV. Aceasta implică răcirea atomilor neutri până la aproape zero absolut - permițând atomilor ultrareci să fie folosiți pentru a explora proprietățile cuantice ale materiei. Cu toate acestea, chiar și atunci când sunt ținute în UHV, atomii se vor ciocni în cele din urmă cu gazul rezidual, scoțând atomii din capcană.

Recent, cercetătorii au realizat că această problemă ar putea fi transformată într-un avantaj pentru măsurarea presiunii în vid. „În ultimul deceniu, mai multe grupuri de cercetare au lucrat pentru a utiliza pierderea atomică indusă de gaz de fond, care este dăunătoare pentru majoritatea aplicațiilor științei cuantice, pentru a măsura presiunea în vid în intervalul UHV”, explică Barker.

Evoluțiile recente în teoria împrăștierii cuantice sugerează că rata cu care atomii sunt pierduți din capcanele magnetice trebuie să varieze în mod previzibil și consecvent cu presiunea exercitată de gazul de fond, indiferent de compoziția acestuia. Drept urmare, mai multe studii au explorat ideea că capcanele magnetice ar putea fi utilizate ca standarde de vid pentru atom rece care determină presiunea utilizând rata de pierdere a atomilor prinși, fără a fi necesară calibrarea.

Expansiunea dinamică

În studiul său, echipa NIST a arătat că un CAVS ar putea fi utilizat pentru a măsura presiunea în condiții UHV. Studiul a implicat atașarea unei perechi de CAVS la un sistem de expansiune dinamică, care este considerat de NIST drept standardul de aur pentru măsurarea vidului. Aceste sisteme funcționează prin injectarea unei cantități cunoscute de gaz într-o cameră de vid, apoi îndepărtarea acesteia de la celălalt capăt la o rată atent controlată.

„Standardul de expansiune dinamică stabilește o presiune de vid cunoscută a unui gaz cunoscut pentru măsurarea celor două CAVS”, explică Barker. „Dacă presiunea stabilită de standardul de expansiune dinamică și presiunea măsurată de CAVS-uri sunt de acord cu incertitudinile lor, atunci CAVS-urile sunt validate: sunt standarde de presiune cu adevărat intrinsec precise pentru vid ultraînalt.”

În experimentul lor, cercetătorii au măsurat variațiile ratelor de coliziune între atomii de litiu și rubidiu prinși, ultrareci, și o varietate de gaze nobile la temperatura camerei. Așa cum sugeraseră calculele anterioare de împrăștiere cuantică, ratele de pierdere pe care le-au măsurat din capcanele magnetice CAVS au fost un standard de încredere pentru presiunea în vid.

Citirile de presiune de la un CAVS vor fi de încredere chiar și la ani de la implementare

Daniel Barker

„Am constatat că CAVS-urile și standardul de expansiune dinamică sunt în acord foarte bun; ei raportează aceeași presiune de vid”, spune Barker. „Știm acum că citirile de presiune de la un CAVS vor fi demne de încredere chiar și la ani de la implementare.”

După succesul lor, Eckel și echipa speră acum că institutele de metrologie din întreaga lume vor încerca să-și reproducă rezultatele comparând CAVS-urile cu măsurătorile presiunii în vid realizate folosind propriile standarde de expansiune dinamică. Dacă se poate ajunge la un acord internațional, ei se așteaptă ca în curând presiunile de vid să poată fi măsurate în mod obișnuit cu mult mai precis decât cu manometre de ionizare – în beneficiul cercetătorilor care lucrează în domenii de ultimă oră de cercetare.

„Apreciem că fiabilitatea pe termen lung a unui CAVS poate fi avantajoasă în instalațiile de accelerație, detectoare de unde gravitaționale și fabrici de semiconductori de generație următoare”, spune Barker. „NIST intenționează, de asemenea, să dezvolte un CAVS ca standard de calibrare pentru manometrele produse comercial.”

Cercetarea este descrisă în AVS Știința Cuantică.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii