最新真空測量系統通過首次測試！
最新真空測量系統通過首次測試！
美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員發明的一種基于量子的新型真空計系統已經通過了第一次測試。此標準本質上是準確的，無需校準，它的出現將成為真正意義上的基礎標準。
NIST 科學家 Stephen Eckel 將 pCAVS 單元（中心左側的銀色立方體）連接到真空室（右側的圓柱體）。圖片來源：C. Suplee/NIST
精密壓力測量對于半導體制造商來說是必須的，在真空室中逐層制造芯片，其工作壓力等于相當于大氣壓力的千億分之一，必須嚴格控制該環境以確保產品質量。
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測量系統?！?/p>
目前，大多數工業生產和研究設備都使用傳統的高真空傳感器，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準確，需要定期重新校準。
相比之下，NIST 的系統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）的數量，該原子簇被冷卻到絕對零度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，可以很容易地連接到真空室；一個狹窄的通道將腔室內部連接到 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，它們都在非常微小的差別內產生了完全相同的測量結果。
該設備能夠測量的最低真空度為4×10-9(Pa)，誤差在2.6% 以內。這與國際空間站周圍的壓力大致相同。
“便攜式冷原子真空標準已經通過了它的第一次大測試，”?？藸栒f。?？藸柤捌渫掠?月15日在AVS量子科學雜志上發表了他們的研究成果。
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生球形磁場。中心的場強為零，并隨著距離向外增加。高場區域的原子更容易受到激光光子的影響，因此被向內推。
鋰原子裝入 MOT 后，激光器關閉，一小部分原子（約 10,000 個）被磁場捕獲。等待一段時間后，激光重新打開。激光使原子發出熒光，通過相機測量它們產生的光量并進行計數，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真空中移動的少數分子撞擊時，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。
冷原子真空計的花費成本主要是冷卻和檢測原子所需的激光器數量。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線上的應用，這種 pCAVS 傳感器的多路復用可以降低成本。
對該理論的最終測試是建立一個特殊的真空室，可以在其中產生一定壓力并連接到 pCAVS 來測量該壓力。如果 pCAVS 和動態膨脹標準在壓力上一致，則證明該理論是正確的。
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