Холодні атоми використані для створення надійного манометра для надвисокого вакууму – Physics World

Холодні атоми використані для створення надійного манометра для надвисокого вакууму – Physics World

Мітка часу: 5 вересня 2023 12:25

Вакуумний насос NIST
Класна ідея: Деніел Баркер, Стів Екель, Джим Федчак, Джулія Шершлігт із NIST та їхні колеги розробили та випробували техніку, яка використовує холодні атоми для вимірювання наднизького тиску. (Надано: NIST)

Ефект, який зазвичай перешкоджає магнітному захопленню атомів, був використаний для створення нового методу вимірювання тиску в системах надвисокого вакууму (UHV). Стівен Екель, Деніел Баркер, Юлія Шершлігт, Джим Федчак і колеги з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) показали, що вимірювання, зроблені за допомогою «холодноатомного вакуумного стандарту» (CAVS), тісно збігаються з поточною стандартною технікою вимірювання тиску надвисокого ультрафіолетового діапазону. Команда вважає, що CAVS можуть виявитися більш надійним способом вимірювання тиску, ніж деякі існуючі методи.

Багато застосувань у науці та промисловості виконуються в умовах ультрависокої температури, і дуже важливо, щоб дуже низькі тиски в таких системах вимірювалися точно. Тиск UHV зазвичай менше 10-10  атмосферного тиску і зазвичай вимірюються за допомогою іонізаційних датчиків. Ці пристрої іонізують деякі з залишкових (фонових) молекул газу у вакуумі, і іони притягуються до негативно зарядженого електрода. Результуючий іонний струм вимірюється і перетворюється на тиск.

Однак іонізаційні датчики мають кілька недоліків, включаючи необхідність частого калібрування; і точність, що залежить від складу фонового газу. Як наслідок, ці вимірювальні прилади можуть мати значну невизначеність вимірювання при використанні в UHV.

Стикаються атоми

Магнітне захоплення атомів — це важливе застосування, яке виконується під УВВ. Він передбачає охолодження нейтральних атомів до абсолютного нуля, що дозволяє використовувати ультрахолодні атоми для дослідження квантових властивостей матерії. Проте, навіть якщо їх тримати в УВВ, атоми зрештою стикаються із залишковим газом, вибиваючи атоми з пастки.

Нещодавно дослідники зрозуміли, що цю проблему можна перетворити на перевагу для вимірювання вакуумного тиску. «Протягом останнього десятиліття кілька дослідницьких груп працювали над використанням втрати атомів, спричиненої фоновим газом, що є згубним для більшості застосувань квантової науки, для вимірювання вакуумного тиску в діапазоні UHV», — пояснює Баркер.

Останні розробки в квантовій теорії розсіювання показують, що швидкість, з якою атоми втрачаються з магнітних пасток, повинна змінюватися передбачувано та узгоджено з тиском фонового газу, незалежно від його складу. У результаті кілька досліджень досліджували ідею про те, що магнітні пастки можна використовувати як еталони вакууму холодних атомів, які визначають тиск, використовуючи швидкість втрат захоплених атомів, без калібрування.

Динамічне розширення

У своєму дослідженні команда NIST показала, що CAVS можна використовувати для вимірювання тиску в умовах УВВ. Дослідження передбачало приєднання пари CAVS до системи динамічного розширення, яка NIST розглядається як золотий стандарт для вимірювання вакууму. Ці системи працюють шляхом впорскування відомої кількості газу у вакуумну камеру, а потім видалення його з іншого кінця з ретельно контрольованою швидкістю.

«Стандарт динамічного розширення встановлює відомий вакуумний тиск відомого газу для вимірювання двома CAVS», — пояснює Баркер. «Якщо тиск, встановлений стандартом динамічного розширення, і тиск, виміряний за допомогою CAVS, узгоджуються в межах своєї невизначеності, тоді CAVS перевіряються: вони є дійсно точними стандартами тиску для надвисокого вакууму».

У своєму експерименті дослідники виміряли варіації частоти зіткнень між захопленими ультрахолодними атомами літію та рубідію та різними благородними газами кімнатної температури. Так само, як припускали попередні розрахунки квантового розсіювання, показники втрат, які вони виміряли з CAVS магнітних пасток, були надійним стандартом для вакуумного тиску.

Показники тиску з CAVS будуть надійними навіть через роки після розгортання

Деніел Баркер

«Ми виявили, що CAVS і стандарт динамічного розширення дуже добре узгоджуються; вони повідомляють про однаковий вакуумний тиск», — каже Баркер. «Тепер ми знаємо, що показання тиску з CAVS будуть надійними навіть через роки після розгортання».

Після свого успіху Екель і команда тепер сподіваються, що метрологічні інститути в усьому світі спробують відтворити їхні результати, порівнюючи CAVS з вимірюваннями вакуумного тиску, зробленими з використанням їхніх власних стандартів динамічного розширення. Якщо вдасться досягти міжнародної угоди, вони очікують, що незабаром вакуумний тиск можна буде регулярно вимірювати набагато точніше, ніж за допомогою іонізаційних датчиків – на користь дослідників, які працюють у передових областях досліджень.

«Ми очікуємо, що довгострокова надійність CAVS може бути корисною для прискорювачів, детекторів гравітаційних хвиль і напівпровідникових фабрик наступного покоління», — говорить Баркер. «NIST також планує розробити CAVS як калібрувальний стандарт для калібрувальних приладів комерційного виробництва».

Дослідження описано в AVS Квантова наука.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики