Notizie di ottica e fotonica – Misura del vuoto ad ultrasuoni di atomi ultrafreddi

Cosa hanno in comune i chip semiconduttori, gli enormi osservatori di onde gravitazionali come LIGO e alcuni tipi di computer quantistici? Una cosa è che il lavoro dei tre dipende dalla difficile impresa di realizzare, mantenere e misurare il vuoto dall’alto all’alto. Un team di scienziati statunitensi ora afferma di aver convalidato un approccio di misurazione del vuoto che potrebbe rendere il compito molto più semplice.

Negli ultimi sette anni, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti hanno sviluppato sensori del vuoto quantistico di nuova generazione. Abbreviati come CAVS (Cold Atom Vacuum Standard), questi sensori si basano su nuvole di atomi raffreddati al laser, intrappolati magneticamente e un po’ di magia della fluorescenza per misurare in modo affidabile un vuoto fino a un’area di 10^–8 Pa – Meno di un trilionesimo di atmosfera di pressione al livello del mare.

Nel lavoro appena pubblicato, il team ha ora riportato un passo importante per la convalida del CAVS quantitativo rispetto al gold standard classico della voidometria, noto come scaling dinamico (AVS Quant. Sci., doi: 10.1116 / 5.0147686). Sulla scia di questa convalida, i ricercatori ritengono che l’approccio CAVS, che secondo loro è molto più facile da configurare e utilizzare rispetto ai sistemi di ridimensionamento dinamico, potrebbe consentire calibrazioni più semplici e dirette dei sistemi di misurazione del vuoto convenzionali. Una versione portatile, denominata p-CAVS, può sostituire alcuni tipi di vacuometri sul campo.

Da meno a più

L’approccio di Cold Corn alla misurazione del vuoto funziona ribaltando un mal di testa di lunga data nell’assediata industria del mais.

In una trappola magnetica per atomi, gli atomi neutri che possiedono un momento magnetico, come gli atomi di metalli alcalini come il litio e il rubidio, vengono prima raffreddati a livelli inferiori al millikelvin, di solito mediante la pressione di radiazione di un laser. Quindi, la nuvola di atomi freddi subisce un elevato gradiente di campo magnetico, che intrappola gli atomi neutri lenti e raffreddati ai minimi di energia locali all’interno del campo magnetico.

L’approccio di Cold Corn alla misurazione del vuoto funziona ribaltando un mal di testa di lunga data nell’assediata industria del mais.

Sebbene una trappola magnetica da laboratorio debba operare in un vuoto ultraelevato, non esiste un vuoto perfetto; Ci sono sempre alcuni atomi o molecole di gas che si muovono sullo sfondo all’interno della camera a vuoto. Queste molecole di gas alla fine entreranno in collisione con gli atomi intrappolati magneticamente e li tireranno fuori dalla trappola. Ciò significa che gli atomi freddi possono essere tenuti in posizione in una trappola magnetica poco profonda solo per un tempo limitato, una limitazione che deve essere presa in considerazione negli esperimenti.

Nell’ultimo decennio circa, i ricercatori si sono sempre più resi conto che questa limitazione intrinseca dell’intrappolamento di atomi freddi può essere trasformata in un vantaggio in un’altra applicazione: la misurazione di vuoti molto radi. Nello specifico, se la velocità di rimbalzo degli atomi nella trappola può essere misurata da atomi o molecole di gas di fondo, allora dovrebbe essere possibile determinare la densità delle molecole di gas, N, nella stanza. A questo punto, una semplice applicazione della legge dei gas ideali, S = nkT (Dove S è pressione, T è la temperatura e K è la costante di Boltzmann) che calcola la pressione nella camera a vuoto.

Approccio CAVS

Il team del NIST ha messo in pratica questa idea in due versioni dei sensori CAVS. Il primo, una configurazione su scala di laboratorio (L-CAVS), utilizza atomi di rubidio come sensore; L’altro, un CAVS portatile (p-CAVS), utilizza atomi di litio.

Il dispositivo CAVS viene prima collegato alla camera a vuoto da misurare e rimane in equilibrio di pressione con la camera mentre l’aria viene evacuata da essa. Quando la camera raggiunge il vuoto completo, alcune centinaia di migliaia di atomi di Rb o Li vengono raffreddati al laser e catturati in una trappola magneto-ottica (MOT). Durante il processo di raffreddamento e mantenimento, il gas dell’atomo di fluoro alcalino emette fluorescenza e il segnale di fluorescenza viene catturato da una telecamera CMOS.

La nube atomica catturata dal MOT viene quindi trasferita alla trappola magnetica a quattro poli del CAVS e lasciata riposare nella trappola per un tempo specificato. Durante quel periodo, una parte degli atomi intrappolati viene espulsa dalla trappola scontrandosi con le molecole di gas di fondo nel vuoto. La nuvola di atomi del sensore viene quindi trasferita nuovamente al MOT, che emette nuovamente un segnale di fluorescenza che viene catturato dalla fotocamera CMOS.

La differenza tra l’intensità della fluorescenza nella seconda e nella prima misurazione si riferisce (con alcune ipotesi) al numero di atomi di Rb o Li che vengono espulsi dalle collisioni con atomi di gas di fondo durante il tempo in cui gli atomi di metallo erano nella trappola magnetica e quindi, alla velocità con cui gli atomi vengono persi dalla trappola. Il tasso di perdita dell’atomo intrappolato, a sua volta, consente un calcolo diretto della pressione del vuoto attribuita al gas di fondo, senza riferimento a nessun altro parametro.

Validazione CAVS

Nel loro lavoro recentemente pubblicato, il team del NIST ha convalidato l’approccio CAVS alla misurazione del vuoto creando un sistema di espansione dinamica all’avanguardia, il classico gold standard per la calibrazione dei vacuometri. L’impostazione dell’espansione dinamica utilizza principalmente l’iniezione e la rimozione di gas a una portata strettamente controllata per impostare una densità nota di atomi o molecole di fondo nella camera a vuoto. La complessa costruzione degli scienziati del NIST prevedeva un’elaborazione a livello sub-micrometrico per consentire un controllo sufficientemente preciso del flusso di gas attraverso il sistema.

Il team ha quindi collegato ciascuno dei sapori CAVS al sistema di espansione dinamica e ha utilizzato ciascun CAVS per misurare i coefficienti del tasso di perdita di sei tipi di gas di processo inerti (He, Ne, N).₂e Ar, Kr e Xe) sono importanti nell’industria dei semiconduttori. Il team ha scoperto che i coefficienti concordano strettamente con i valori teorici per la densità del gas di fondo determinata dal regime di espansione dinamica.

In altre parole, scrive il team, il risultato mostra che “la misurazione quantitativa della pressione del vuoto con atomi freddi è coerente con quella determinata dal criterio di espansione dinamica del misuratore di portata… l’accordo tra il criterio di espansione dinamica e CAVS convalida [the cold-atom sensors’] Funzionando come standard quantistici per la pressione del vuoto”.

Verso una misurazione più semplice dello spazio ultraalto

Il team vede una serie di vantaggi significativi nei CAVS quantistici rispetto ai metodi classici per le misurazioni del vuoto. La prima è che la misura della pressione CAVS è basilare, con riferimento solo a parametri come i secondi SI e l’unità di temperatura Kelvin. Questo significa che può essere utilizzato in alternativa ai classici sistemi ad espansione dinamica per tarare altri manometri.

Ciò potrebbe significare una grande vittoria in semplicità, secondo il membro del team Julia Schirschlicht. “Il lavoro pesante necessario per stare in piedi su una di queste classiche attrezzature standard è enorme”, ha affermato in un comunicato stampa di accompagnamento. “CAVS offre un’elevata precisione in un formato molto più semplice.”

Inoltre, il team ritiene che p-CAVS potrebbe essere utilizzato non solo per calibrare altre bilance, ma anche come sostituto diretto di alcuni tipi di sistemi di misurazione della deformazione ultrasensibili utilizzati in applicazioni come la produzione di semiconduttori. Per portare avanti questi piani, il team dovrà espandere il proprio lavoro alle misurazioni di gas di fondo più reattivi come l’O₂CO₂monossido di carbonio e H.₂. Il team sta già lavorando agli aggiornamenti della sua piattaforma di test per consentire tali misurazioni.