Många halvledartillverkare och forskningslabb är under ökande press från, av alla saker, Vakuum. Dessa anläggningar måste ta bort större mängder gasmolekyler och partiklar från sina installationer eftersom nya teknologier och processer kräver lägre och lägre tryck. Till exempel, vakuumkamrarna i vilka mikrochipstillverkare lägger ner en serie ultratunna lager av kemikalier steg för steg – en process som måste vara helt fri från föroreningar – arbetar med ungefär hundra miljarder av lufttrycket vid havsnivån. Vissa applikationer behöver tryck som är minst tusen gånger lägre än så, närmar sig de ännu mer sällsynta miljöerna i månen och yttre rymden.

Att mäta och kontrollera vakuum på dessa nivåer är en krävande verksamhet där noggrannhet är avgörande. Nuvarande teknik förlitar sig vanligtvis på en enhet som kallas en jonmätare. Dock, jonmätare kräver periodisk omkalibrering och är inte kompatibla med den nya världsomspännande ansträngningen att basera International System of Units (SI) på grundläggande, invarianta konstanter och kvantfenomen.

Nu har NIST-forskare designat en vakuummätare som är tillräckligt liten för att kunna användas i vanliga vakuumkammare. Den uppfyller även Quantum SI-kriterier, vilket betyder att det inte kräver någon kalibrering, beror på naturens grundläggande konstanter, rapporterar rätt mängd eller ingen alls, och har specificerat osäkerheter som är lämpliga för dess tillämpning. Den nya mätaren spårar förändringar i antalet kalla litiumatomer som fångas av en laser och magnetiska fält i vakuumet. De fångade atomerna fluorescerar som ett resultat av laserljuset.

Varje gång en kall atom träffas av en av de få molekylerna som rör sig i vakuumkammaren, kollisionen sparkar ut litiumatomen ur fällan, minskar mängden fluorescerande ljus som sänds ut. En kamera registrerar nedbländningen. Ju snabbare ljuset dämpas, ju fler molekyler det finns i vakuumkammaren, vilket gör fluorescensnivån till ett känsligt mått på tryck.

Det nya bärbara systemet är resultatet av ett NIST-projekt för att skapa en bordsskiva kall atom vakuumstandard (CAVS) som kommer att användas för att göra mätningar av grundläggande atomegenskaper. Även om CAVS är för stort för, och olämplig för, användning utanför laboratoriet, den bärbara versionen, eller p-CAVS, är utformad för att vara en "drop-in" ersättning för befintliga vakuummätare.

"Ingen har tänkt på hur man miniatyriserar en sådan kall-atom vakuummätare och vilka typer av osäkerheter det skulle innebära, sade Stephen Eckel, en av projektforskarna som i september beskrev sin design i tidskriften Metrologia . "Vi håller på att utveckla ett sådant system som potentiellt kan ersätta sensorer som nu finns på marknaden, samt att ta reda på hur man fungerar och utvärderar det." Enskilda komponenter testas, och en fungerande prototyp förväntas inom en snar framtid.

NIST-designen använder en nyutvecklad variant av en stapelteknik inom atomfysik:den magneto-optiska fällan (MOT). I en typisk MOT, det finns sex laserstrålar – två motstående strålar på var och en av tre axlar. Atomer som placeras i fällan bromsas när de absorberar momentum från laserfotoner med exakt rätt mängd energi, dämpa atomernas rörelse. För att begränsa dem på önskad plats, MOT innehåller ett varierande magnetfält, vars styrka är noll i mitten och ökar med avståndet utåt. Atomer i områden med högre fält är mer mottagliga för laserfotoner och skjuts därför inåt.

NIST:s portabla mätare använder endast en enda laserstråle riktad mot en optisk komponent känd som ett diffraktionsgitter, som delar upp ljuset i flera strålar som kommer från olika vinklar. "Att sätta in laserstrålar från sex olika riktningar gör experimentet riktigt stort och kräver mycket optik, sa Daniel Barker, en annan NIST-projektforskare. "Nu behöver du bara en laserstråle som kommer in och träffar ett diffraktionsgitter. När ljuset diffrakteras får du de andra strålarna som du behöver för att stänga MOT och göra fällan."

Vid det tillfället, atomerna är bara några tusendelar av en grad över den absoluta nollpunkten. De träffas av omgivande molekyler, huvudsakligen väte – den dominerande gasen som finns kvar efter att vakuumkamrarna har gräddats och sedan pumpats ner till ultrahögt (UHV) eller extremt högt vakuum (XHV). UHV-serien inkluderar vakuumnivån runt den internationella rymdstationen; XHV inkluderar de ännu lägre trycknivåerna ovanför månen.

Användningen av litium är en annan vetenskaplig innovation i NIST-designen. Litium är det tredje lättaste grundämnet och tillhör gruppen alkalimetaller - inklusive natrium, kalium, rubidium och cesium - som är förhållandevis lätta att kyla och fånga. "Ingen såvitt vi vet har tänkt på en enkelstråle-MOT för litium, " Sa Barker. "Många människor tänker på rubidium och cesium, men inte för mycket om litium. Ändå visar det sig att litium är en mycket bättre sensor för vakuum."

Bland fördelarna:Interaktionsdynamiken mellan litiumatomer och vätemolekyler kan beräknas exakt utifrån första principer. "Det gör att vi kan göra en primär mätare som du inte behöver kalibrera, sade Eckel. Dessutom, litium har ett utomordentligt lågt ångtryck vid rumstemperatur (vilket betyder att det har en låg tendens att övergå till ett gasformigt tillstånd). Så, vanligtvis, atomen kommer att göra en enda passage genom MOT-regionen och om den inte är instängd kommer den att träffa en vägg och stanna där för alltid. Med rubidium eller cesium, som har relativt höga ångtryck vid rumstemperatur, så småningom kommer du att belägga vakuumkammarens väggar med tillräckligt med rubidium eller cesiummetall så att beläggningarna kommer att börja avge atomer.

"Dessutom, litiums ångtryck förblir också lågt vid 150 grader Celsius, där människor i allmänhet bakar UHV- och XHV-kammare för att ta bort vattenbeläggningar på de rostfria stålkomponenterna. I det avseendet, du kan fortfarande förbereda vakuumkammaren med standardtekniker, även med denna mätare påsatt."

UHV- och XHV-miljöer "är en kritisk del av infrastrukturen inom avancerad tillverkning och forskning, från gravitationsvågsdetektorer till kvantinformationsvetenskap, sa James Fedchak, som övervakar projektet. "CAVS kommer att vara den första absoluta sensorn som skapas som fungerar i denna tryckregim. För närvarande, ingenjörer och forskare använder ofta själva experimentet eller processen för att bestämma vakuumnivån, vilket ofta är ett destruktivt test."

"p-CAVS kommer att göra det möjligt för forskare och tillverkare att exakt bestämma vakuumnivån innan experimentet eller processen börjar, ", sade Fedchak. "Det kommer också att tillåta lägre nivåer av vakuum att mätas exakt – nivåer som blir allt viktigare inom områden som kvantinformationsvetenskap."