【康沃真空網(wǎng)】美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員發(fā)明的一種基于量子的新型真空計系統(tǒng)已經(jīng)通過了第一次測試，成為真正的主要標準——即本質(zhì)上是準確的，無需校準。
NIST 科學家 Stephen Eckel 在 pCAVS 單元（中心左側(cè)的銀色立方體）后面，該單元連接到真空室（右側(cè)的圓柱體）。圖片來源：C. Suplee/NIST
精密壓力測量對于半導體制造商來說是當務之急，他們在真空室中逐層制造芯片，其工作壓力等于或低于海平面空氣壓力的千億分之一，并且必須嚴格控制該環(huán)境以確保產(chǎn)品質(zhì)量。
NIST 高級項目科學家 Stephen Eckel 說：“下一代半導體制造、量子技術和粒子加速型實驗都需要精密的真空和準確測量它的能力。”
今天，大多數(shù)商業(yè)和研究設施都使用傳統(tǒng)的高真空傳感器，該傳感器基于當腔室中的稀有氣體分子被電子源電離（帶電）時檢測到的電流。隨著時間的推移，這些電離計可能變得不可靠，需要定期重新校準。而且它們與全球范圍內(nèi)將國際單位制 (SI) 建立在基本不變常數(shù)和量子現(xiàn)象基礎上的新努力不兼容。
相比之下，NIST 的系統(tǒng)通過測量它們對被捕獲的鋰原子微觀簇的影響來測量真空室中剩余的氣體分子（通常是氫）的數(shù)量，該原子簇被冷卻到絕對零以上的千分之幾度并被激光照亮。它不需要校準，因為鋰原子和氫分子之間的相互作用動力學可以根據(jù)第一原理精確計算。
這種便攜式冷原子真空標準 (pCAVS) — 體積為 1.3 升，不包括激光系統(tǒng)— 可以很容易地連接到商業(yè)真空室；一個狹窄的通道將腔室內(nèi)部連接到 pCAVS 核心。在最近的一系列實驗中，當科學家將兩個 pCAVS 單元連接到同一個腔室時，它們都在非常小的不確定性內(nèi)產(chǎn)生了完全相同的測量結(jié)果。
這些單位能夠準確地測量壓力低至 40 億分之一帕斯卡 (Pa)，SI 壓力單位，誤差在 2.6% 以內(nèi)。這與國際空間站周圍的壓力大致相同。海平面的大氣壓約為 100,000 Pa。
“便攜式冷原子真空標準已經(jīng)通過了它的第一次大測試，”埃克爾說。“如果你建立兩個可能是任何類型的主要標準，第一步是確保它們在測量同一事物時彼此一致。如果他們不同意，他們顯然不是標準。” Eckel 及其同事于 7 月 15 日在AVS 量子科學雜志上在線報告了他們的結(jié)果。
在 pCAVS 傳感器核心中，汽化的超冷鋰原子從源頭分配，然后固定在 NIST 設計和制造的芯片級磁光阱 (MOT) 中。進入陷阱的原子在四束激光束的交匯處被減慢：一束輸入激光束和另外三束由專門設計的光柵芯片反射。激光光子被調(diào)整到恰好合適的能級以抑制原子的運動。
為了將它們限制在所需的位置，MOT 使用由六個永久釹磁鐵組成的周圍陣列產(chǎn)生的球形磁場。中心的場強為零，并隨著距離向外增加。高場區(qū)域的原子更容易受到激光光子的影響，因此被向內(nèi)推。
鋰原子裝入 MOT 后，激光器關閉，一小部分原子（約 10,000 個）僅被磁場捕獲。等待一段時間后，激光重新打開。激光使原子發(fā)出熒光，并使用測量它們產(chǎn)生的光量的相機對它們進行計數(shù)：光越多，陷阱中的原子越多，反之亦然。
每當一個被捕獲的鋰原子被在真空中移動的少數(shù)分子之一撞擊時，碰撞就會將原子踢出磁阱。原子從陷阱中射出的速度越快，真空室中的分子就越多。
冷原子真空計的最大成本驅(qū)動因素之一是冷卻和檢測原子所需的激光器數(shù)量。為了緩解這個問題，兩個 pCAVS 單元通過光纖開關接收來自同一激光器的光，并交替進行測量。該方案允許多達四個單元連接到同一個激光源。對于需要多個傳感器的應用，例如加速器設施或半導體生產(chǎn)線上的應用，這種 pCAVS 傳感器的多路復用可以降低單位成本。
對于當前的實驗，兩個 pCAVS 中的被困原子云在彼此的直接視線中相隔 20 厘米（約 8 英寸）。結(jié)果，假定兩個原子云處的壓力相同。但是當團隊第一次使用它們來測量真空壓力時，這兩個儀表顯示出截然不同的原子損失率。
“我的心沉了下去，”埃克爾說。“這些應該是真空標準，當我們打開它們時，他們無法就真空室的壓力達成一致。” 為了確定差異的來源，該團隊在多個實驗中互換了兩個單元之間的組件。當他們交換組件時，兩個 pCAVS 繼續(xù)存在分歧——奇怪的是，分歧完全相同。“最后，我們突然想到：也許他們實際上處于不同的壓力下，”項目科學家之一丹尼爾巴克說。
唯一可能導致它們處于不同壓力的是泄漏，一個可以讓大氣氣體進入真空的小孔。它必須非常小：團隊在打開 pCAVS 之前徹底檢查了此類泄漏。該團隊使用他們能找到的最靈敏的檢漏儀進行最后一次搜索，發(fā)現(xiàn) pCAVS 的一個玻璃窗中確實存在一個微小的針孔泄漏。修復泄漏后，兩個 pCAVS 就他們的測量結(jié)果達成一致。
尋找多個真空計之間讀數(shù)的差異是一種泄漏檢測方法，通常用于大型科學實驗，包括粒子加速器和 LIGO 等重力波檢測器。
然而，這種技術的主要限制是大多數(shù)真空計的校準會隨著時間而改變。因此，通常很難將真正的泄漏與校準中的漂移區(qū)分開來。但是因為 pCAVS 是主儀表，所以沒有校準，因此沒有校準漂移。使用三個或更多 pCAVS 可以幫助下一代加速器和重力波探測器以更高的精度對大型真空系統(tǒng)中的泄漏進行三角測量。
開發(fā) pCAVS 的下一步是驗證其理論基礎。為了將冷原子從磁阱中的損失率轉(zhuǎn)化為壓力，需要進行量子散射計算。“這些計算相當復雜，”領導理論工作的 Eite Tiesinga 說，“但我們相信他們的計算可以達到幾個百分點。”
對該理論的最終測試是建立一個特殊的真空室，可以在其中產(chǎn)生已知的壓力——稱為動態(tài)膨脹標準——并連接一個 pCAVS 來測量該壓力。如果 pCAVS 和動態(tài)膨脹標準在壓力上一致，則證明該理論是正確的。“這個過程的下一步已經(jīng)在進行中，我們希望很快知道這個理論是否是好的，”埃克爾說。
