【康沃真空網(wǎng)】美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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(jì)系統(tǒng)已經(jīng)通過了第一次測試，成為真正的主要標(biāo)準(zhǔn)——即本質(zhì)上是準(zhǔn)確的，無需校準(zhǔn)。
NIST 科學(xué)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(duì)于半導(dǎo)體制造商來說是當(dāng)務(wù)之急，他們?cè)谡婵帐抑兄饘又圃煨酒涔ぷ鲏毫Φ扔诨虻陀诤Ｆ矫婵諝鈮毫Φ那|分之一，并且必須嚴(yán)格控制該環(huán)境以確保產(chǎn)品質(zhì)量。
NIST 高級(jí)項(xiàng)目科學(xué)家 Stephen Eckel 說：“下一代半導(dǎo)體制造、量子技術(shù)和粒子加速型實(shí)驗(yàn)都需要精密的真空和準(zhǔn)確測量它的能力?！?/p>
今天，大多數(shù)商業(yè)和研究設(shè)施都使用傳統(tǒng)的高真空傳感器，該傳感器基于當(dāng)腔室中的稀有氣體分子被電子源電離（帶電）時(shí)檢測到的電流。隨著時(shí)間的推移，這些電離計(jì)可能變得不可靠，需要定期重新校準(zhǔn)。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(chǔ)上的新努力不兼容。
相比之下，NIST 的系統(tǒng)通過測量它們對(duì)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(duì)零以上的千分之幾度并被激光照亮。它不需要校準(zhǔn)，因?yàn)殇囋雍蜌浞肿又g的相互作用動(dòng)力學(xué)可以根據(jù)第一原理精確計(jì)算。
這種便攜式冷原子真空標(biāo)準(zhǔn) (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(gè)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(shí)驗(yàn)中，當(dāng)科學(xué)家將兩個(gè) pCAVS 單元連接到同一個(gè)腔室時(shí)，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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過了它的第一次大測試，”?？藸栒f。“如果你建立兩個(gè)可能是任何類型的主要標(biāo)準(zhǔn)，第一步是確保它們?cè)跍y量同一事物時(shí)彼此一致。如果他們不同意，他們顯然不是標(biāo)準(zhǔn)?！?Eckel 及其同事于 7 月 15 日在AVS 量子科學(xué)雜志上在線報(bào)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(shè)計(jì)和制造的芯片級(jí)磁光阱 (MOT) 中。進(jìn)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(shè)計(jì)的光柵芯片反射。激光光子被調(diào)整到恰好合適的能級(jí)以抑制原子的運(yùn)動(dòng)。
為了將它們限制在所需的位置，MOT 使用由六個(gè)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(qiáng)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(guān)閉，一小部分原子（約 10,000 個(gè)）僅被磁場捕獲。等待一段時(shí)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(jī)對(duì)它們進(jìn)行計(jì)數(shù)：光越多，陷阱中的原子越多，反之亦然。
每當(dāng)一個(gè)被捕獲的鋰原子被在真空中移動(dòng)的少數(shù)分子之一撞擊時(shí)，碰撞就會(huì)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(jì)的最大成本驅(qū)動(dòng)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(gè)問題，兩個(gè) pCAVS 單元通過光纖開關(guān)接收來自同一激光器的光，并交替進(jìn)行測量。該方案允許多達(dá)四個(gè)單元連接到同一個(gè)激光源。對(duì)于需要多個(gè)傳感器的應(yīng)用，例如加速器設(shè)施或半導(dǎo)體生產(chǎn)線上的應(yīng)用，這種 pCAVS 傳感器的多路復(fù)用可以降低單位成本。
對(duì)于當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)，兩個(gè) 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(gè)原子云處的壓力相同。但是當(dāng)團(tuán)隊(duì)第一次使用它們來測量真空壓力時(shí)，這兩個(gè)儀表顯示出截然不同的原子損失率。
“我的心沉了下去，”?？藸栒f?！斑@些應(yīng)該是真空標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)我們打開它們時(shí)，他們無法就真空室的壓力達(dá)成一致。” 為了確定差異的來源，該團(tuán)隊(duì)在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中互換了兩個(gè)單元之間的組件。當(dāng)他們交換組件時(shí)，兩個(gè) 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(shí)際上處于不同的壓力下，”項(xiàng)目科學(xué)家之一丹尼爾巴克說。
唯一可能導(dǎo)致它們處于不同壓力的是泄漏，一個(gè)可以讓大氣氣體進(jìn)入真空的小孔。它必須非常小：團(tuán)隊(duì)在打開 pCAVS 之前徹底檢查了此類泄漏。該團(tuán)隊(duì)使用他們能找到的最靈敏的檢漏儀進(jìn)行最后一次搜索，發(fā)現(xiàn) pCAVS 的一個(gè)玻璃窗中確實(shí)存在一個(gè)微小的針孔泄漏。修復(fù)泄漏后，兩個(gè) pCAVS 就他們的測量結(jié)果達(dá)成一致。
尋找多個(gè)真空計(jì)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(xué)實(shí)驗(yàn)，包括粒子加速器和 LIGO 等重力波檢測器。
然而，這種技術(shù)的主要限制是大多數(shù)真空計(jì)的校準(zhǔn)會(huì)隨著時(shí)間而改變。因此，通常很難將真正的泄漏與校準(zhǔn)中的漂移區(qū)分開來。但是因?yàn)?pCAVS 是主儀表，所以沒有校準(zhǔn)，因此沒有校準(zhǔn)漂移。使用三個(gè)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(duì)大型真空系統(tǒng)中的泄漏進(jìn)行三角測量。
開發(fā) pCAVS 的下一步是驗(yàn)證其理論基礎(chǔ)。為了將冷原子從磁阱中的損失率轉(zhuǎn)化為壓力，需要進(jìn)行量子散射計(jì)算。“這些計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，”領(lǐng)導(dǎo)理論工作的 Eite Tiesinga 說，“但我們相信他們的計(jì)算可以達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。”
對(duì)該理論的最終測試是建立一個(gè)特殊的真空室，可以在其中產(chǎn)生已知的壓力——稱為動(dòng)態(tài)膨脹標(biāo)準(zhǔn)——并連接一個(gè) pCAVS 來測量該壓力。如果 pCAVS 和動(dòng)態(tài)膨脹標(biāo)準(zhǔn)在壓力上一致，則證明該理論是正確的?！斑@個(gè)過程的下一步已經(jīng)在進(jìn)行中，我們希望很快知道這個(gè)理論是否是好的，”?？藸栒f。
