Een nieuw, op kwantum gebaseerd vacuümmeetsysteem, uitgevonden door onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft de eerste test doorstaan ​​om een ​​echte primaire standaard te zijn, dat wil zeggen intrinsiek nauwkeurig zonder de noodzaak van kalibratie.

Precisiedrukmeting is van groot belang voor halfgeleiderfabrikanten die hun chips laag voor laag maken in vacuümkamers die op of onder de honderd miljardste van de luchtdruk op zeeniveau werken en die omgeving rigoureus moeten controleren om de productkwaliteit te waarborgen.

"De volgende generaties van halfgeleiderproductie, kwantumtechnologieën en experimenten van het type deeltjesversnelling zullen allemaal een voortreffelijk vacuüm vereisen en het vermogen om dit nauwkeurig te meten", zegt NIST senior projectwetenschapper Stephen Eckel.

Tegenwoordig gebruiken de meeste commerciële en onderzoeksfaciliteiten conventionele hoogvacuümsensoren op basis van elektrische stroom die wordt gedetecteerd wanneer ijle gasmoleculen in een kamer worden geïoniseerd (elektrisch geladen) door een elektronenbron. Deze ionisatiemeters kunnen na verloop van tijd onbetrouwbaar worden en moeten periodiek opnieuw worden gekalibreerd. En ze zijn niet verenigbaar met de nieuwe wereldwijde poging om het International System of Units (SI) te baseren op fundamentele, invariante constanten en kwantumverschijnselen.

Het systeem van NIST meet daarentegen de hoeveelheid gasmoleculen (meestal waterstof) die in de vacuümkamer achterblijven door hun effect te meten op een microscopisch kleine cluster van ingesloten lithiumatomen, afgekoeld tot een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt en verlicht door laserlicht. Het hoeft niet te worden gekalibreerd omdat de interactiedynamiek tussen lithiumatomen en waterstofmoleculen precies kan worden berekend vanuit de eerste principes.

Deze draagbare cold-atom vacuümstandaard (pCAVS) - 1,3 liter in volume exclusief het lasersysteem - kan gemakkelijk worden bevestigd aan commerciële vacuümkamers; een smal kanaal verbindt de binnenkant van de kamer met de pCAVS-kern. In een recente reeks experimenten, toen de wetenschappers twee pCAVS-eenheden op dezelfde kamer sloten, produceerden beide exact dezelfde metingen binnen hun zeer kleine onzekerheden.

De eenheden waren in staat om drukken zo laag als 40 miljardste van een pascal (Pa), de SI-eenheid van druk, binnen 2,6 procent nauwkeurig te meten. Dat is ongeveer hetzelfde als de druk rond het internationale ruimtestation. Atmosferische druk op zeeniveau is ongeveer 100.000 Pa.

"De draagbare vacuümstandaard voor koude atomen heeft zijn eerste grote test doorstaan", zegt Eckel. "Als je twee vermoedelijk primaire normen van welke aard dan ook bouwt, is de allereerste stap ervoor te zorgen dat ze het met elkaar eens zijn wanneer ze hetzelfde meten. Als ze het niet eens zijn, zijn het duidelijk geen normen." Eckel en collega's rapporteerden hun resultaten online op 15 juli in het tijdschrift AVS Quantum Science .

In de pCAVS-sensorkern worden verdampte ultrakoude lithiumatomen afgegeven uit een bron en vervolgens geïmmobiliseerd in een chip-scale magneto-optical trap (MOT) ontworpen en gefabriceerd bij NIST. Atomen die de val binnenkomen, worden vertraagd op de kruising van vier laserstralen:één ingangslaserstraal en drie andere die worden gereflecteerd door een speciaal ontworpen roosterchip. De laserfotonen zijn precies op het juiste energieniveau afgestemd om de beweging van de atomen te dempen.

Om ze op de gewenste locatie op te sluiten, gebruikt de MOT een bolvormig magnetisch veld dat wordt geproduceerd door een omringende reeks van zes permanente neodymiummagneten. De veldsterkte is nul in het midden en neemt toe met de afstand naar buiten. Atomen in gebieden met een hoger veld zijn gevoeliger voor laserfotonen en worden dus naar binnen geduwd.

Nadat de lithiumatomen in de MOT zijn geladen, worden de lasers uitgeschakeld en wordt een klein deel van de atomen - ongeveer 10.000 - alleen gevangen door het magnetische veld. Na enige tijd wachten wordt de laser weer ingeschakeld. Het laserlicht zorgt ervoor dat de atomen fluoresceren en ze worden geteld met een camera die de hoeveelheid licht meet die ze produceren:hoe meer licht, hoe meer atomen in de val en vice versa.

Elke keer dat een vastzittend lithiumatoom wordt geraakt door een van de weinige moleculen die in het vacuüm rondbewegen, schopt de botsing het atoom uit de magnetische val. Hoe sneller de atomen de val uitwerpen, hoe meer moleculen zich in de vacuümkamer bevinden.

Een van de grootste kostenposten van een vacuümmeter met koude atomen is het aantal lasers dat nodig is om de atomen af ​​te koelen en te detecteren. Om dat probleem te verhelpen, ontvangen beide pCAVS-eenheden licht van dezelfde laser via een glasvezelschakelaar en nemen ze afwisselend metingen. Het schema maakt het mogelijk om maar liefst vier eenheden op dezelfde laserbron aan te sluiten. Voor toepassingen waar meerdere sensoren nodig zijn, zoals die in versnellerfaciliteiten of productielijnen voor halfgeleiders, kan een dergelijke multiplexing van pCAVS-sensoren de kosten per eenheid verlagen.

Voor het huidige experiment waren de ingesloten atoomwolken in de twee pCAVS's 20 cm (ongeveer 8 inch) van elkaar gescheiden in een directe zichtlijn met elkaar. Als resultaat werd aangenomen dat de drukken bij de twee atoomwolken identiek waren. Maar toen het team ze voor het eerst gebruikte om de vacuümdruk te meten, vertoonden de twee meters enorm verschillende snelheden van atoomverlies.

"Mijn hart zonk," zei Eckel. "Dit zouden vacuümnormen moeten zijn, en toen we ze aanzetten, konden ze het niet eens worden over de druk van de vacuümkamer." Om te proberen de oorzaak van de discrepantie te achterhalen, verwisselde het team componenten tussen de twee eenheden tijdens meerdere experimenten. Terwijl ze componenten verwisselden, bleven de twee pCAVS's het oneens zijn - merkwaardig genoeg, met precies hetzelfde aantal. "Eindelijk kwam het bij ons op:misschien staan ​​ze in feite onder verschillende druk", zegt Daniel Barker, een van de projectwetenschappers.

Het enige dat ervoor kan zorgen dat ze verschillende drukken hebben, is een lek, een klein gaatje waardoor atmosferisch gas in het vacuüm kan komen. Het moest heel klein zijn:het team had grondig gecontroleerd op dergelijke lekken voordat ze de pCAVS's aanzetten. Het team kreeg de meest gevoelige lekdetector die ze konden vinden om nog een laatste zoekopdracht uit te voeren en ontdekte dat er inderdaad een klein gaatje lek was in een van de glazen ramen van de pCAVS. Nadat het lek was gerepareerd, waren de twee pCAVS het eens over hun metingen.

Het zoeken naar verschillen in de meetwaarden tussen meerdere vacuümmeters is een methode voor lekdetectie die vaak wordt gebruikt in grote wetenschappelijke experimenten, waaronder deeltjesversnellers en zwaartekrachtgolfdetectoren zoals LIGO.

De belangrijkste beperking van deze techniek is echter dat de kalibratie van de meeste vacuümmeters met de tijd kan veranderen. Om die reden is het vaak moeilijk om een ​​echt lek te onderscheiden van slechts een afwijking in de kalibratie. Maar omdat de pCAVS de primaire meter is, is er geen kalibratie en dus ook geen kalibratiedrift. Het gebruik van drie of meer pCAVS's kan de volgende generatie versnellers en zwaartekrachtgolfdetectoren helpen om lekken in hun grote vacuümsystemen met grotere nauwkeurigheid te trianguleren.

De volgende stappen bij het ontwikkelen van pCAVS is het valideren van de theoretische onderbouwing ervan. Om de verliessnelheid van koude atomen uit de magnetische val te vertalen in een druk, zijn kwantumverstrooiingsberekeningen nodig. "Deze berekeningen zijn nogal ingewikkeld", zegt Eite Tiesinga, die de theoretische inspanning leidt, "maar we geloven dat hun berekeningen tot een paar procent goed zijn."

De ultieme test voor de theorie is om een ​​speciale vacuümkamer te bouwen waar een bekende druk kan worden gegenereerd - een zogenaamde dynamische expansiestandaard - en een pCAVS aan te sluiten om die druk te meten. Als de pCAVS en de dynamische expansiestandaard het eens zijn over de druk, is dat een bewijs dat de theorie correct is. "Deze volgende stap in het proces is al aan de gang en we verwachten snel te weten of de theorie goed is", zei Eckel. + Verder verkennen

Een nieuwe manier om bijna niets te meten:ultrakoude opgesloten atomen om druk te meten