Kalla atomer som används för att skapa en pålitlig tryckmätare för ultrahögt vakuum – Physics World

Kalla atomer som används för att skapa en pålitlig tryckmätare för ultrahögt vakuum – Physics World

Tidsstämpel: 5 september 2023 12:25

NIST vakuumpump
Cool idé: NIST:s Daniel Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt och kollegor har utvecklat och testat en teknik som använder kalla atomer för att mäta ultralåga tryck. (Med tillstånd: NIST)

En effekt som normalt kommer i vägen för magnetisk fångst av atomer har utnyttjats för att skapa en ny metod för att mäta tryck i ultrahögvakuumsystem (UHV). Stephen Eckel, Daniel Barker, Julia Scherschligt, Jim Fedchak och kollegor vid US National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat att mätningar gjorda med en "cold-atom vacuum standard" (CAVS) nära överensstämmer med en nuvarande standardteknik för att göra UHV-tryckmätningar. Teamet tror att CAVS kan visa sig vara ett mer tillförlitligt sätt att mäta tryck än vissa befintliga tekniker.

Många tillämpningar inom vetenskap och industri görs under UHV-förhållanden och det är avgörande att de mycket låga trycken i sådana system mäts noggrant. UHV-trycken är vanligtvis mindre än 10-10  av atmosfärstryck och mäts vanligtvis med joniseringsmätare. Dessa enheter joniserar några av de återstående (bakgrunds)gasmolekylerna i ett vakuum och jonerna attraheras till en negativt laddad elektrod. Den resulterande jonströmmen mäts och detta översätts till ett tryck.

Emellertid har joniseringsmätare flera nackdelar inklusive behovet av frekvent kalibrering; och en noggrannhet som beror på bakgrundsgasens sammansättning. Som ett resultat kan dessa mätare ha betydande mätosäkerheter när de används i UHV.

Kolliderande atomer

Den magnetiska fångsten av atomer är en viktig tillämpning som görs under UHV. Det involverar kylning av neutrala atomer till nära absolut noll – vilket gör att de ultrakalla atomerna kan användas för att utforska materiens kvantegenskaper. Men även när de hålls i UHV kommer atomer så småningom att kollidera med restgas, vilket slår ut atomer ur fällan.

Nyligen har forskare insett att detta problem kan omvandlas till en fördel för att mäta vakuumtryck. "Under det senaste decenniet har flera forskargrupper arbetat för att använda den bakgrundsgasinducerade atomförlusten, som är skadlig för de flesta kvantvetenskapliga tillämpningar, för att mäta vakuumtrycket i UHV-området", förklarar Barker.

Den senaste utvecklingen inom kvantspridningsteorin tyder på att hastigheten med vilken atomer förloras från magnetiska fällor måste variera förutsägbart och konsekvent med trycket som utövas av bakgrundsgasen, oavsett dess sammansättning. Som ett resultat har flera studier undersökt idén att magnetiska fällor skulle kunna användas som kallatomvakuumstandarder som bestämmer trycket med hjälp av förlusthastigheten för fångade atomer, utan någon kalibrering som krävs.

Dynamisk expansion

I sin studie visade NIST-teamet att en CAVS kunde användas för att mäta tryck under UHV-förhållanden. Studien involverade att koppla ett par CAVS till ett dynamiskt expansionssystem, som av NIST betraktas som guldstandarden för vakuummätning. Dessa system fungerar genom att injicera en känd mängd gas i en vakuumkammare och sedan ta bort den från den andra änden med en noggrant kontrollerad hastighet.

"Den dynamiska expansionsstandarden anger ett känt vakuumtryck för en känd gas för de två CAVS att mäta," förklarar Barker. "Om trycket som ställs in av den dynamiska expansionsstandarden och trycket som mäts av CAVS stämmer överens inom deras osäkerheter, då är CAVS:erna validerade: de är verkligen inneboende exakta tryckstandarder för ultrahögt vakuum."

I sitt experiment mätte forskarna variationer i kollisionshastigheter mellan fångade, ultrakalla atomer av litium och rubidium och en mängd olika ädelgaser i rumstemperatur. Precis som tidigare kvantspridningsberäkningar hade föreslagit, var förlusthastigheterna de mätte från magnetfällan CAVS en pålitlig standard för vakuumtryck.

Tryckavläsningar från en CAVS kommer att vara pålitliga även år efter driftsättning

Daniel Barker

"Vi fann att CAVS och den dynamiska expansionsstandarden stämmer mycket bra överens; de rapporterar samma vakuumtryck, säger Barker. "Vi vet nu att tryckavläsningar från en CAVS kommer att vara pålitliga även år efter implementering."

Efter deras framgång hoppas Eckel och teamet nu att metrologiinstitutioner runt om i världen kommer att försöka replikera deras resultat genom att jämföra CAVS med vakuumtrycksmätningar gjorda med deras egna dynamiska expansionsstandarder. Om en internationell överenskommelse kan nås förväntar de sig att vakuumtryck snart rutinmässigt kan mätas mycket mer exakt än med joniseringsmätare – till fördel för forskare som arbetar inom spetsforskningsområden.

"Vi förutser att den långsiktiga tillförlitligheten hos en CAVS kan vara fördelaktig i acceleratoranläggningar, gravitationsvågsdetektorer och nästa generations halvledarfabriker," säger Barker. "NIST planerar också att utveckla en CAVS som en kalibreringsstandard för kommersiellt producerade mätare."

Forskningen beskrivs i AVS Quantum Science.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden