Noticias sobre Óptica y Fotónica

testamentos

Los héroes del vacío del NIST, Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt y sus colegas, han validado un método que utiliza átomos enfriados por láser y trampas magnéticas para medir presiones ultrabajas. [Imagen: NIST]

¿Qué tienen en común la fabricación de chips semiconductores, los enormes observatorios de ondas gravitacionales como LIGO y algunas variedades de computadoras cuánticas? Una cosa es que el trabajo de los tres se basa en la complicada hazaña de lograr, mantener y medir un vacío alto a ultra alto. Un equipo de científicos estadounidenses dice ahora que ha validado un método de metrología de vacío que podría facilitar sustancialmente la tarea.

Durante los últimos siete años, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. han estado desarrollando sensores de vacío cuánticos de próxima generación. Estos sensores, que reciben el acrónimo CAVS (por estándar de vacío de átomo frío), se basan en nubes de átomos atrapados magnéticamente enfriados por láser y un poco de magia de fluorescencia para medir de manera confiable el vacío hasta el área de 10 a 8 Pa, menos una billonésima parte de la presión atmosférica al nivel del mar.

En un trabajo recientemente publicado, el equipo ha informado del importante paso de validar sus CAVS cuánticos frente al estándar de oro clásico para la metrología del vacío, conocido como expansión dinámica (AVS Quant. Sci., doi: 10.1116/5.0147686). A raíz de esa validación, los investigadores creen que el enfoque CAVS, que según ellos es sustancialmente más fácil de configurar y utilizar que los sistemas de expansión dinámica, podría permitir una calibración más simple y directa de los sistemas convencionales de medición de vacío. Y una versión portátil, denominada p-CAVS, podría incluso reemplazar algunos tipos de vacuómetros en el campo.

El enfoque del átomo frío para la metrología del vacío funciona al darle la vuelta a un viejo dolor de cabeza que representa el negocio de los átomos atrapados.

En una trampa de átomos magnéticos, los átomos neutros que poseen un momento magnético, como los de los metales alcalinos litio y rubidio, se enfrían primero a niveles submilikelvin, comúnmente mediante la presión de radiación de un láser. Luego, la nube de átomos fríos se somete a un alto gradiente de campo magnético, que atrapa los átomos neutros lentos y enfriados en mínimos de energía locales dentro del campo magnético.

El enfoque del átomo frío para la metrología del vacío funciona al darle la vuelta a un viejo dolor de cabeza que representa el negocio de los átomos atrapados.

Aunque una trampa magnética de laboratorio debe funcionar en un vacío ultraalto, ningún vacío es perfecto; Siempre hay algunos átomos o moléculas de gas de fondo rebotando dentro de la cámara de vacío. Estas moléculas de gas eventualmente chocarán con los átomos atrapados magnéticamente y los sacarán de la trampa. Eso significa que los átomos fríos pueden mantenerse en su lugar en una trampa magnética poco profunda sólo durante un tiempo limitado, una limitación que debe tenerse en cuenta en los experimentos.

Sin embargo, durante la última década, los investigadores han reconocido cada vez más que esta limitación inherente a la captura de átomos fríos podría aprovecharse en otra aplicación: medir vacíos extremadamente escasos. Específicamente, si se puede medir la velocidad a la que los átomos de la trampa rebotan en los átomos o moléculas del gas de fondo, debería ser posible determinar la densidad de las moléculas de gas, n, en la cámara. En ese punto, una simple aplicación de la ley de los gases ideales, p = nkT (donde p es la presión, T es la temperatura y k es la constante de Boltzmann) calcula la presión en la cámara de vacío.

El equipo del NIST ha puesto en práctica esta idea en dos tipos de sensores CAVS. Uno, una instalación a escala de laboratorio (l-CAVS), utiliza átomos de rubidio como sensor; el otro, un CAVS portátil (p-CAVS), utiliza átomos de litio.

Un vídeo del NIST ilustra los procesos básicos que funcionan en el sistema CAVS. [Imagen: NIST] [Ver vídeo]

El dispositivo CAVS se conecta primero a la cámara de vacío que se va a medir y permanece en equilibrio de presión con la cámara a medida que se evacua el aire de ella. Cuando la cámara ha alcanzado el vacío total, unos cientos de miles de átomos de Rb o Li se enfrían con láser y se capturan en una trampa magnetoóptica (MOT). Durante el proceso de enfriamiento y captura, el gas del átomo de metal alcalino emite fluorescencia y la señal de fluorescencia se captura con una cámara CMOS.

Luego, la nube de átomos capturada por MOT se transfiere a una trampa magnética cuadrupolo en el CAVS y se deja reposar en la trampa durante un período específico. Durante ese tiempo, una parte de los átomos atrapados es expulsada de la trampa por colisiones con moléculas de gas de fondo en el vacío. Luego, la nube de átomos del sensor se transfiere nuevamente al MOT, emitiendo nuevamente una señal de fluorescencia que es capturada por la cámara CMOS.

La diferencia entre la intensidad de fluorescencia en la segunda medición y la primera se relaciona (con algunas suposiciones) con la cantidad de átomos de Rb o Li expulsados ​​a través de colisiones con átomos de gas de fondo durante el tiempo que los átomos metálicos estuvieron en la trampa magnética y, por lo tanto, , a la tasa de pérdida de átomos de la trampa. La tasa de pérdida de átomos atrapados, a su vez, permite un cálculo directo de la presión de vacío atribuible al gas de fondo, sin referencia a ningún otro estándar.

Para validar el sistema CAVS, lo conectaron a un sistema de expansión dinámica clásico (gris) de última generación, que establece un nivel de vacío conocido controlando con precisión la entrada y salida de una cantidad conocida de gases a través del sistema. [Imagen: NIST]

En su trabajo publicado recientemente, el equipo del NIST validó el enfoque CAVS para la medición del vacío construyendo primero un sistema de expansión dinámica de última generación, el estándar de oro clásico para calibrar vacuómetros. La configuración de expansión dinámica utiliza esencialmente la inyección y eliminación de gases a un caudal estrictamente controlado para establecer una densidad conocida de átomos o moléculas de fondo en la cámara de vacío. La complicada construcción realizada por los científicos del NIST incluyó el mecanizado a nivel submicrómetro para permitir un control del flujo de gas suficientemente preciso a través del sistema.

Luego, el equipo conectó ambos tipos de su CAVS al sistema de expansión dinámica y utilizó cada CAVS para medir los coeficientes de tasa de pérdida para seis especies de gases de proceso inertes (He, Ne, N2, Ar, Kr y Xe) importantes en semiconductores. fabricar. El equipo descubrió que los coeficientes coincidían estrechamente con los valores teóricos de las densidades de gas de fondo establecidas por el sistema de expansión dinámica.

Dicho de otra manera, escribe el equipo, el resultado muestra que “la medición cuántica de la presión de vacío con átomos fríos es consistente con la establecida por un estándar de expansión dinámica y caudalímetro combinado... El acuerdo entre el estándar de expansión dinámica y el CAVS valida [el estándar de expansión dinámica] -sensores atómicos] como estándares basados ​​en cuánticos para la presión de vacío”.

Steven Eckel, miembro del equipo, detrás de una unidad p-CAVS (cubo plateado a la izquierda) conectada a una cámara de vacío (cilindro a la derecha). [Imagen: C. Suplee / NIST]

El equipo ve una serie de ventajas significativas en su CAVS basado en cuántica sobre los enfoques clásicos de la metrología del vacío. Una es que la medición de presión CAVS es primaria, con referencia únicamente a estándares como el segundo SI y la unidad de temperatura Kelvin. Por lo tanto, en principio, podría utilizarse en sustitución de los sistemas clásicos de expansión dinámica para calibrar otros manómetros.

Según Julia Scherschligt, miembro del equipo, esto podría significar una importante victoria en términos de simplicidad. "El trabajo pesado necesario para levantar uno de estos dispositivos estándar clásicos es monumental", dijo en un comunicado de prensa que acompaña al artículo. "CAVS proporciona alta precisión en una forma mucho más simple".

Además, el equipo cree que el p-CAVS podría usarse no sólo para la calibración de otros medidores, sino como reemplazo directo de ciertos tipos de sistemas de metrología de presión súper sensibles utilizados en aplicaciones como la fabricación de semiconductores. Para hacer avanzar estos planes, el equipo deberá ampliar su trabajo de validación a mediciones de gases de fondo más reactivos, como O2, CO2, CO y H2. El equipo ya está trabajando en actualizaciones de su plataforma de prueba para permitir esas mediciones.

Fecha de publicación: 14 de agosto de 2023