En ny måde at måle næsten ingenting på:Ultrakoldt fangede atomer for at måle tryk

Mange halvlederfabrikanter og forskningslaboratorier er under stigende pres fra, af alle ting, vakuum. Disse faciliteter skal fjerne større mængder gasmolekyler og partikler fra deres opsætninger, da nye teknologier og processer kræver lavere og lavere tryk. For eksempel, vakuumkamrene, hvor mikrochipproducenter nedlægger en række ultratynde lag af kemikalier trin for trin-en proces, der skal være fuldstændig fri for forurenende stoffer-opererer på omkring hundrede milliarder af lufttrykket ved havets overflade. Nogle applikationer har brug for tryk mindst tusind gange lavere end det, nærmer sig de endnu mere sjældne miljøer på Månen og det ydre rum.

At måle og kontrollere vakuum på disse niveauer er en krævende forretning, hvor nøjagtighed er afgørende. Nuværende teknologi er normalt afhængig af en enhed kaldet en ionmåler. Imidlertid, ionmålere kræver periodisk omkalibrering og er ikke kompatible med den nye verdensomspændende indsats for at basere det internationale system for enheder (SI) på grundlæggende, invariante konstanter og kvantefænomener.

Nu har NIST -forskere designet en vakuummåler, der er lille nok til at kunne sættes i almindeligt anvendte vakuumkamre. Det opfylder også Quantum SI kriterier, hvilket betyder, at den ikke kræver kalibrering, afhænger af grundlæggende naturkonstanter, rapporterer den korrekte mængde eller slet ingen, og har specificeret usikkerheder, der er egnede til dens anvendelse. Den nye måler sporer ændringer i antallet af kolde litiumatomer fanget af en laser og magnetfelter i vakuumet. De fangede atomer fluorescerer som et resultat af laserlyset.

Hver gang et koldt atom rammes af et af de få molekyler, der bevæger sig rundt i vakuumkammeret, kollisionen sparker lithiumatomet ud af fælden, faldende mængde fluorescerende lys. Et kamera registrerer dæmpningen. Jo hurtigere lyset dæmpes, jo flere molekyler er i vakuumkammeret, gør fluorescensniveauet til et følsomt trykmål.

Det nye bærbare system er resultatet af et NIST-projekt for at skabe en koldatomstøvsugerstandard (CAVS) på bordpladen, der skal bruges til at foretage målinger af grundlæggende atomære egenskaber. Selvom CAVS er for stor til, og uegnet til, brug uden for laboratoriet, den bærbare version, eller p-CAVS, er designet til at være en "drop-in" erstatning for eksisterende vakuummålere.

"Ingen har tænkt på, hvordan man skal miniaturisere sådan en koldatom-vakuummåler, og hvilken slags usikkerhed det ville medføre, "sagde Stephen Eckel, en af ​​projektforskerne, der i september beskrev deres design i tidsskriftet Metrologi . "Vi er i gang med at udvikle et sådant system, der potentielt kan erstatte sensorer nu på markedet, samt finde ud af, hvordan man betjener og evaluerer det. "Individuelle komponenter testes, og en fungerende prototype forventes i den nærmeste fremtid.

NIST-designet anvender en nyudviklet variation af atomfysikkens hovedteknologi:den magneto-optiske fælde (MOT). I en typisk MOT, der er seks laserstråler - to modstående stråler på hver af tre akser. Atomer placeret i fælden bremses, når de absorberer momentum fra laserfotoner med den helt rigtige mængde energi, dæmper atomernes bevægelse. For at begrænse dem til den ønskede placering, MOT indeholder et varierende magnetfelt, hvis styrke er nul i midten og øges med afstanden udad. Atomer i områder med højere felt er mere modtagelige for laserfotoner og skubbes dermed indad.

NISTs bærbare måler bruger kun en enkelt laserstråle rettet mod en optisk komponent kendt som et diffraktionsgitter, som deler lyset op i flere stråler, der kommer fra forskellige vinkler. "At indsætte laserstråler fra seks forskellige retninger gør eksperimentet virkelig stort og kræver meget optik, "sagde Daniel Barker, en anden NIST -projektforsker. "Nu mangler du kun en laserstråle, der kommer ind og rammer et diffraktionsgitter. Når lyset er diffraktioneret, får du de andre stråler, som du har brug for for at lukke MOT og lave fælden."

På det tidspunkt, atomerne er kun et par tusindedele af en grad over det absolutte nul. De rammes af omgivende molekyler, hovedsageligt brint-den dominerende gas, der er tilbage, efter at vakuumkamrene er bagt og derefter pumpet ned til ultrahøjt (UHV) eller ekstremt højt vakuum (XHV). UHV -serien inkluderer vakuumniveauet omkring den internationale rumstation; XHV inkluderer de endnu lavere trykniveauer over Månen.

Brugen af ​​lithium er en anden videnskabelig innovation i NIST -designet. Litium er det tredje letteste element og tilhører gruppen af ​​alkalimetaller-herunder natrium, kalium, rubidium og cæsium - som er forholdsvis lette at afkøle og fange. "Ingen ved, hvad vi ved, har tænkt på en enkeltstråle MOT for lithium, "Sagde Barker." Mange mennesker tænker på rubidium og cæsium, men ikke for mange om lithium. Alligevel viser det sig, at lithium er en meget bedre sensor til vakuum. "

Blandt fordelene:Interaktionsdynamikken mellem lithiumatomer og brintmolekyler kan beregnes nøjagtigt ud fra de første principper. "Det giver os mulighed for at lave en primær måler, som du ikke behøver at kalibrere, "Sagde Eckel." Desuden, lithium har et ekstraordinært lavt damptryk ved stuetemperatur (hvilket betyder, at det har en lav tendens til at skifte til en gasformig tilstand). Så, typisk, atomet vil foretage en enkelt passage gennem MOT -regionen, og hvis det ikke er fanget, vil det ramme en væg og blive der for evigt. Med rubidium eller cæsium, som har relativt høje damptryk ved stuetemperatur, til sidst vil du belægge vakuumkammerets vægge med nok rubidium eller cæsiummetal til, at belægningerne begynder at udsende atomer.

"Ud over, lithiums damptryk forbliver også lavt ved 150 grader Celsius, hvor folk generelt bager UHV- og XHV -kamre for at fjerne vandbelægninger på komponenterne i rustfrit stål. I den forstand, du kan stadig forberede vakuumkammeret ved hjælp af standardteknikker, selv med denne måler vedhæftet. "

UHV- og XHV -miljøer "er en kritisk del af infrastrukturen inden for avanceret fremstilling og forskning, fra gravitationsbølgedetektorer til kvanteinformationsvidenskab, "sagde James Fedchak, der fører tilsyn med projektet. "CAVS vil være den første absolutte sensor, der er skabt, der fungerer i dette trykregime. I øjeblikket ingeniører og forskere bruger ofte eksperimentet eller selve processen til at bestemme vakuumniveauet, hvilket ofte er en destruktiv test. "

"p-CAVS vil sætte forskere og producenter i stand til nøjagtigt at bestemme vakuumniveauet, inden eksperimentet eller processen begynder, "sagde Fedchak." Det vil også gøre det muligt at måle lavere vakuumniveauer nøjagtigt - niveauer, der bliver mere og mere vigtige på områder som f.eks. kvanteinformationsvidenskab. "