Hladni atomi, uporabljeni za ustvarjanje zanesljivega manometra za ultravisok vakuum – Svet fizike

Hladni atomi, uporabljeni za ustvarjanje zanesljivega manometra za ultravisok vakuum – Svet fizike

Časovni žig: 5. september 2023 12:25

Vakuumska črpalka NIST
Super ideja: Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt in sodelavci NIST-a so razvili in preizkusili tehniko, ki za merjenje ultranizkih tlakov uporablja hladne atome. (Z dovoljenjem: NIST)

Učinek, ki običajno ovira magnetno lovljenje atomov, je bil izkoriščen za ustvarjanje nove metode za merjenje tlaka v sistemih ultravisokega vakuuma (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julija Scherschligt, Jim Fedchak in sodelavci z ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) so pokazali, da se meritve, opravljene s "standardom vakuuma s hladnim atomom" (CAVS), tesno ujemajo s trenutno standardno tehniko za merjenje tlaka UHV. Ekipa verjame, da bi se CAVS lahko izkazali za bolj zanesljiv način merjenja tlaka kot nekatere obstoječe tehnike.

Številne aplikacije v znanosti in industriji se izvajajo v pogojih UHV in ključnega pomena je, da so zelo nizki tlaki v takih sistemih natančno izmerjeni. Tlaki UHV so običajno nižji od 10-10  atmosferskega tlaka in se običajno merijo z ionizacijskimi merilniki. Te naprave ionizirajo nekaj preostalih (ozadja) molekul plina v vakuumu in ione pritegne negativno nabita elektroda. Izmeri se nastali ionski tok, ki se pretvori v tlak.

Vendar imajo ionizacijski merilniki več pomanjkljivosti, vključno s potrebo po pogostem umerjanju; in natančnostjo, ki je odvisna od sestave plina v ozadju. Posledično imajo lahko ti merilniki znatne merilne negotovosti pri uporabi v UHV.

Trčenje atomov

Magnetno lovljenje atomov je pomembna aplikacija, ki se izvaja pod UHV. Vključuje ohlajanje nevtralnih atomov blizu absolutne ničle – kar omogoča uporabo ultrahladnih atomov za raziskovanje kvantnih lastnosti snovi. Toda tudi če jih hranimo v UHV, bodo atomi sčasoma trčili v ostanke plina, kar bo izločilo atome iz pasti.

Pred kratkim so raziskovalci ugotovili, da bi to težavo lahko spremenili v prednost pri merjenju vakuumskega tlaka. »V zadnjem desetletju si je več raziskovalnih skupin prizadevalo uporabiti izgubo atomov, povzročeno s plinom v ozadju, ki je škodljiva za večino aplikacij kvantne znanosti, za merjenje vakuumskega tlaka v območju UHV,« pojasnjuje Barker.

Nedavni razvoj kvantne teorije sipanja kaže, da se mora hitrost, s katero se atomi izgubijo iz magnetnih pasti, spreminjati predvidljivo in skladno s tlakom, ki ga izvaja plin v ozadju, ne glede na njegovo sestavo. Posledično je več študij raziskalo idejo, da bi lahko magnetne pasti uporabili kot vakuumske standarde s hladnimi atomi, ki določajo tlak z uporabo stopnje izgube ujetih atomov, brez potrebe po kalibraciji.

Dinamična širitev

V svoji študiji je skupina NIST pokazala, da bi lahko CAVS uporabili za merjenje tlaka v pogojih UHV. Študija je vključevala pritrditev para CAVS-jev na dinamični ekspanzijski sistem, ki ga NIST obravnava kot zlati standard za merjenje vakuuma. Ti sistemi delujejo tako, da znano količino plina vbrizgajo v vakuumsko komoro, nato pa jo odstranijo z drugega konca s skrbno nadzorovano hitrostjo.

»Standard dinamične ekspanzije določa znani vakuumski tlak znanega plina za merjenje dveh CAVS,« pojasnjuje Barker. "Če se tlak, nastavljen s standardom dinamične ekspanzije, in tlak, izmerjen s CAVS-ji, ujemata s svojimi negotovostmi, potem so CAVS-ji potrjeni: so resnično intrinzično natančni standardi tlaka za ultravisok vakuum."

V svojem poskusu so raziskovalci izmerili razlike v stopnjah trkov med ujetimi, ultrahladnimi atomi litija in rubidija ter različnimi žlahtnimi plini sobne temperature. Tako kot so predlagali prejšnji izračuni kvantnega sipanja, so bile stopnje izgube, ki so jih izmerili iz CAVS magnetne pasti, zanesljiv standard za vakuumski tlak.

Odčitki tlaka iz CAVS bodo zanesljivi tudi leta po uvedbi

Daniel Barker

»Ugotovili smo, da se CAVS-ji in standard dinamične razširitve zelo dobro ujemajo; poročajo o enakem vakuumskem tlaku,« pravi Barker. "Zdaj vemo, da bodo odčitki tlaka iz CAVS vredni zaupanja tudi leta po uvedbi."

Po njihovem uspehu Eckel in ekipa zdaj upajo, da bodo meroslovni inštituti po vsem svetu poskušali ponoviti njihove rezultate s primerjavo CAVS z meritvami vakuumskega tlaka, narejenimi z uporabo njihovih lastnih standardov dinamične ekspanzije. Če bo mogoče doseči mednarodni dogovor, pričakujejo, da bo vakuumske tlake kmalu mogoče rutinsko meriti veliko natančneje kot z ionizacijskimi merilniki – v korist raziskovalcev, ki delajo na najsodobnejših področjih raziskav.

"Predvidevamo, da bo dolgoročna zanesljivost CAVS lahko koristna v napravah za pospeševanje, detektorjih gravitacijskih valov in polprevodniških tovarnah naslednje generacije," pravi Barker. "NIST načrtuje tudi razvoj CAVS kot kalibracijskega standarda za komercialno proizvedene merilnike."

Raziskava je opisana v AVS kvantna znanost.

Časovni žig:

Več od Svet fizike