Ett nytt, kvantbaserat vakuummätsystem uppfunnit av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har klarat sitt första test för att vara en verklig primär standard - det vill säga i sig exakt utan behov av kalibrering.

Precisionstryckmätning är av brådskande intresse för halvledartillverkare som tillverkar sina spån lager för lager i vakuumkammare som arbetar vid eller under en hundra miljarddel av lufttrycket vid havsnivån och måste noggrant kontrollera den miljön för att säkerställa produktkvaliteten.

"Nästa generationer av halvledartillverkning, kvantteknologier och experiment av partikelaccelerationstyp kommer alla att kräva utsökt vakuum och förmågan att mäta det exakt", säger NIST-projektforskaren Stephen Eckel.

Idag använder de flesta kommersiella anläggningar och forskningsanläggningar konventionella högvakuumsensorer baserade på elektrisk ström som upptäcks när förtärda gasmolekyler i en kammare joniseras (elektriskt laddade) av en elektronkälla. Dessa joniseringsmätare kan bli opålitliga med tiden och kräver periodisk omkalibrering. Och de är inte kompatibla med den nya världsomspännande ansträngningen att basera det internationella enhetssystemet (SI) på fundamentala, oföränderliga konstanter och kvantfenomen.

NIST:s system mäter däremot mängden gasmolekyler (vanligtvis väte) som finns kvar i vakuumkammaren genom att mäta deras effekt på ett mikroskopiskt kluster av fångade litiumatomer kylda till några tusendelar av en grad över absolut noll och upplyst av laserljus. Den behöver inte kalibreras eftersom interaktionsdynamiken mellan litiumatomer och vätemolekyler kan beräknas exakt utifrån första principer.

Denna bärbara kallatomsvakuumstandard (pCAVS)—1,3 liter i volym exklusive lasersystemet—kan enkelt anslutas till kommersiella vakuumkammare; en smal kanal förbinder kammarens inre med pCAVS-kärnan. I en ny serie experiment, när forskarna kopplade två pCAVS-enheter till samma kammare, producerade båda exakt samma mätningar inom sina mycket små osäkerheter.

Enheterna kunde noggrant mäta tryck så låga som 40 miljarddelar av en pascal (Pa), SI-enheten för tryck, inom 2,6 procent. Det är ungefär detsamma som trycket kring den internationella rymdstationen. Atmosfärstrycket vid havsnivån är cirka 100 000 Pa.

"Den bärbara kallatomvakuumstandarden har klarat sitt första stora test", säger Eckel. "Om du bygger två antagligen primära standarder av något slag, är det allra första steget att se till att de håller med varandra när de mäter samma sak. Om de inte håller med är de uppenbarligen inte standarder." Eckel och kollegor rapporterade sina resultat online den 15 juli i tidskriften AVS Quantum Science .

I pCAVS-sensorkärnan dispenseras förångade ultrakalla litiumatomer från en källa och immobiliseras sedan i en magneto-optisk fälla i chipskala (MOT) designad och tillverkad vid NIST. Atomer som kommer in i fällan bromsas i skärningspunkten mellan fyra laserstrålar:en ingående laserstråle och tre andra reflekteras från ett speciellt designat gitterchip. Laserfotonerna är inställda på exakt rätt energinivå för att dämpa atomernas rörelse.

För att begränsa dem på önskad plats använder MOT ett sfäriskt magnetfält som produceras av en omgivande grupp av sex permanenta neodymmagneter. Fältstyrkan är noll i mitten och ökar med avståndet utåt. Atomer i områden med högre fält är mer mottagliga för laserfotoner och skjuts därför inåt.

Efter att litiumatomerna har laddats in i MOT stängs lasrarna av och en liten del av atomerna - cirka 10 000 - fångas enbart av magnetfältet. Efter att ha väntat en tid slås lasern på igen. Laserljuset får atomerna att fluorescera, och de räknas med hjälp av en kamera som mäter mängden ljus de producerar:ju mer ljus, desto fler atomer i fällan och vice versa.

Varje gång en instängd litiumatom träffas av en av de få molekylerna som rör sig i vakuumet, slår kollisionen ut atomen ur den magnetiska fällan. Ju snabbare atomer kastas ut fällan, desto fler molekyler finns i vakuumkammaren.

En av de största kostnadsdrivarna för en kall atomvakuummätare är antalet lasrar som behövs för att kyla och detektera atomerna. För att lindra det problemet tar båda pCAVS-enheterna emot ljus från samma laser genom en fiberoptisk switch, och de tar mätningar omväxlande. Schemat tillåter att så många som fyra enheter kopplas till samma laserkälla. För applikationer där flera sensorer krävs, såsom de vid acceleratoranläggningar eller halvledartillverkningslinjer, kan en sådan multiplexering av pCAVS-sensorer sänka kostnaden per enhet.

För det aktuella experimentet separerades de fångade atommolnen i de två pCAVS med 20 cm (cirka 8 tum) i direkt siktlinje till varandra. Som ett resultat antogs trycken vid de två atommolnen vara identiska. Men när teamet först använde dem för att mäta vakuumtrycket visade de två mätarna väldigt olika atomförluster.

"Mitt hjärta sjönk", sa Eckel. "Detta är tänkt att vara vakuumstandarder, och när vi slog på dem kunde de inte komma överens om trycket i vakuumkammaren." För att försöka fastställa källan till avvikelsen bytte teamet komponenter mellan de två enheterna över flera experiment. När de bytte komponenter, fortsatte de två pCAVS:erna att vara oense - konstigt nog i exakt samma mängd. "Äntligen kom det bara upp för oss:Kanske är de i själva verket under olika tryck", säger Daniel Barker, en av projektforskarna.

Det enda som kunde ha fått dem att ha olika tryck är en läcka, ett litet hål som kan släppa in atmosfärisk gas i vakuumet. Det måste vara väldigt litet:teamet hade noggrant kontrollerat för sådana läckor innan de slog på pCAVS. Teamet fick den känsligaste läckagedetektorn de kunde hitta för att göra en sista sökning och fann att det verkligen fanns ett litet hål i ett av glasfönstren på pCAVS. Efter att läckan reparerats kom de två pCAVS överens om sina mått.

Att leta efter avvikelser i avläsningarna mellan flera vakuummätare är en metod för läckagedetektering som ofta används i stora vetenskapliga experiment inklusive partikelacceleratorer och gravitationsvågsdetektorer som LIGO.

Den primära begränsningen för denna teknik är dock att kalibreringen av de flesta vakuummätare kan ändras med tiden. Av den anledningen är det ofta svårt att skilja en verklig läcka från enbart en drift i kalibreringen. Men eftersom pCAVS är primär gauge, finns det ingen kalibrering och därmed ingen kalibreringsdrift. Att använda tre eller fler pCAVS kan hjälpa nästa generation av acceleratorer och gravitationsvågsdetektorer att triangulera läckor i sina stora vakuumsystem med större noggrannhet.

Nästa steg i utvecklingen av pCAVS är att validera dess teoretiska grund. För att översätta förlusthastigheten för kalla atomer från den magnetiska fällan till ett tryck, krävs kvantspridningsberäkningar. "De här beräkningarna är ganska komplicerade", säger Eite Tiesinga, som leder den teoretiska insatsen, "men vi tror att deras beräkningar är bra till några procent."

Det ultimata testet för teorin är att bygga en speciell vakuumkammare där ett känt tryck kan genereras - kallad en dynamisk expansionsstandard - och fästa en pCAVS för att mäta det trycket. Om pCAVS och den dynamiska expansionsstandarden är överens om trycket, är det ett bevis på att teorin är korrekt. "Detta nästa steg i processen är redan på gång, och vi förväntar oss att veta om teorin är bra mycket snart," sa Eckel. + Utforska vidare

Ett nytt sätt att mäta nästan ingenting:Ultrakallfångade atomer för att mäta tryck