Veel halfgeleiderfabrikanten en onderzoekslaboratoria staan ​​onder toenemende druk van, Van alle dingen, vacuüm. Deze faciliteiten moeten grotere hoeveelheden gasmoleculen en deeltjes uit hun opstellingen verwijderen, aangezien nieuwe technologieën en processen steeds lagere drukken vereisen. Bijvoorbeeld, de vacuümkamers waarin microchipfabrikanten stap voor stap een reeks ultradunne lagen chemicaliën aanbrengen - een proces dat absoluut vrij moet zijn van verontreinigingen - werken op ongeveer honderd miljardste van de luchtdruk op zeeniveau. Sommige toepassingen hebben een druk nodig die minstens duizend keer lager is, het naderen van de nog meer ijle omgevingen van de maan en de ruimte.

Het meten en regelen van vacuüm op die niveaus is een veeleisende taak waarbij nauwkeurigheid essentieel is. De huidige technologie is meestal afhankelijk van een apparaat dat een ionenmeter wordt genoemd. Echter, ionenmeters moeten periodiek opnieuw worden gekalibreerd en zijn niet verenigbaar met de nieuwe wereldwijde inspanning om het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) te baseren op fundamentele, invariante constanten en kwantumverschijnselen.

Nu hebben NIST-wetenschappers een vacuümmeter ontworpen die klein genoeg is om in veelgebruikte vacuümkamers te worden gebruikt. Het voldoet ook aan de Quantum SI-criteria, wat betekent dat er geen kalibratie nodig is, hangt af van fundamentele natuurconstanten, meldt de juiste hoeveelheid of helemaal geen, en heeft gespecificeerde onzekerheden die geschikt zijn voor de toepassing ervan. De nieuwe meter volgt veranderingen in het aantal koude lithiumatomen gevangen door een laser en magnetische velden in het vacuüm. De ingesloten atomen fluoresceren als gevolg van het laserlicht.

Elke keer dat een koud atoom wordt geraakt door een van de weinige moleculen die in de vacuümkamer rondbewegen, de botsing schopt het lithiumatoom uit de val, vermindering van de hoeveelheid uitgestraald fluorescerend licht. Een camera registreert het dimmen. Hoe sneller het licht dooft, hoe meer moleculen zich in de vacuümkamer bevinden, waardoor het fluorescentieniveau een gevoelige drukmaat wordt.

Het nieuwe draagbare systeem is het resultaat van een NIST-project om een ​​tafelblad-cold-atom-vacuümstandaard (CAVS) te creëren die zal worden gebruikt om fundamentele atomaire eigenschappen te meten. Terwijl CAVS te groot is voor, en ongeschikt voor, gebruik buiten het laboratorium, de draagbare versie, of p-CAVS, is ontworpen als een "drop-in" vervanging voor bestaande vacuümmeters.

"Niemand heeft nagedacht over hoe zo'n vacuümmeter met koude atomen te miniaturiseren en wat voor soort onzekerheden het met zich mee zou brengen, " zei Stephen Eckel, een van de projectwetenschappers die in september hun ontwerp in het tijdschrift beschreef Metrologie . "We zijn bezig met het ontwikkelen van een dergelijk systeem dat mogelijk sensoren kan vervangen die nu op de markt zijn, maar ook om uit te zoeken hoe het te bedienen en te evalueren." Individuele componenten worden getest, en in de nabije toekomst wordt een werkend prototype verwacht.

Het NIST-ontwerp maakt gebruik van een nieuw ontwikkelde variatie op een basistechnologie van de atoomfysica:de magneto-optical trap (MOT). Bij een typische APK, er zijn zes laserstralen - twee tegenovergestelde stralen op elk van de drie assen. Atomen die in de val worden geplaatst, worden vertraagd wanneer ze momentum absorberen van laserfotonen met precies de juiste hoeveelheid energie. de beweging van de atomen dempen. Om ze op de gewenste locatie op te sluiten, de APK bevat een wisselend magnetisch veld, waarvan de sterkte nul is in het midden en toeneemt met de afstand naar buiten. Atomen in gebieden met een hoger veld zijn gevoeliger voor laserfotonen en worden dus naar binnen geduwd.

De draagbare meter van NIST gebruikt slechts een enkele laserstraal die is gericht op een optische component die bekend staat als een diffractierooster, die het licht splitst in meerdere stralen die uit verschillende hoeken komen. "Door laserstralen uit zes verschillende richtingen in te zetten, wordt het experiment erg groot en heeft het veel optica nodig, " zei Daniël Barker, een andere NIST-projectwetenschapper. "Nu heb je nog maar één laserstraal nodig die binnenkomt en een diffractierooster raakt. Als het licht wordt afgebogen, krijg je de andere stralen die je nodig hebt om de APK te sluiten en de val te maken."

Op dat punt, de atomen zijn slechts een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt. Ze worden geraakt door omgevingsmoleculen, voornamelijk waterstof - het dominante gas dat overblijft nadat de vacuümkamers zijn gebakken en vervolgens naar ultrahoog (UHV) of extreem hoog vacuüm (XHV) worden gepompt. Het UHV-assortiment omvat het vacuümniveau rond het internationale ruimtestation; XHV omvat de nog lagere drukniveaus boven de maan.

Het gebruik van lithium is een andere wetenschappelijke innovatie in het NIST-ontwerp. Lithium is het op twee na lichtste element en behoort tot de groep van alkalimetalen, waaronder natrium, potassium, rubidium en cesium - die relatief gemakkelijk te koelen en te vangen zijn. "Niemand heeft bij ons weten gedacht aan een enkelvoudige APK voor lithium, " zei Barker. "Veel mensen denken aan rubidium en cesium, maar niet te veel over lithium. Toch blijkt lithium een ​​veel betere sensor voor vacuüm te zijn."

Een van de voordelen:De interactiedynamiek tussen lithiumatomen en waterstofmoleculen kan exact worden berekend vanuit de eerste principes. "Dat stelt ons in staat om een ​​primaire meter te maken die u niet hoeft te kalibreren, "Zei Eckel. "Bovendien, lithium heeft een buitengewoon lage dampdruk bij kamertemperatuur (wat betekent dat het een lage neiging heeft om in een gasvormige toestand te veranderen). Dus, typisch, het atoom zal één keer door het MOT-gebied gaan en als het niet vastzit, zal het een muur raken en daar voor altijd blijven. Met rubidium of cesium, die een relatief hoge dampdruk hebben bij kamertemperatuur, uiteindelijk bedek je de wanden van de vacuümkamer met voldoende rubidium- of cesiummetaal zodat de coatings atomen gaan uitstoten.

"In aanvulling, de dampdruk van lithium blijft ook laag bij 150 graden Celsius, waar mensen over het algemeen UHV- en XHV-kamers bakken om watercoatings op de roestvrijstalen componenten te verwijderen. Op die manier, je kunt de vacuümkamer nog steeds voorbereiden door middel van standaardtechnieken, zelfs met deze meter eraan bevestigd."

UHV- en XHV-omgevingen "zijn een cruciaal onderdeel van de infrastructuur in geavanceerde productie en onderzoek, van zwaartekrachtgolfdetectoren tot kwantuminformatiewetenschap, " zei James Fedchak, die het project begeleidt. "CAVS zal de eerste absolute sensor zijn die wordt gemaakt die in dit drukregime werkt. Op dit moment ingenieurs en wetenschappers gebruiken vaak het experiment of proces zelf om het vacuümniveau te bepalen, wat vaak een destructieve test is."

"p-CAVS stelt onderzoekers en fabrikanten in staat om het vacuümniveau nauwkeurig te bepalen voordat het experiment of proces begint, "zei Fedchak. "Het zal ook mogelijk maken om lagere vacuümniveaus nauwkeurig te meten - niveaus die steeds belangrijker worden op gebieden zoals kwantuminformatiewetenschap."