Molti produttori di semiconduttori e laboratori di ricerca sono sottoposti a crescenti pressioni da, di tutte le cose, vuoto. Queste strutture devono rimuovere maggiori quantità di molecole e particelle di gas dalle loro configurazioni poiché le nuove tecnologie e processi richiedono pressioni sempre più basse. Per esempio, le camere a vuoto in cui i produttori di microchip depositano una serie di strati ultrasottili di sostanze chimiche passo dopo passo, un processo che deve essere assolutamente privo di contaminanti, operano a circa un centomiliardesimo della pressione dell'aria a livello del mare. Alcune applicazioni richiedono pressioni almeno mille volte inferiori a quella, avvicinandosi agli ambienti ancora più rarefatti della Luna e dello spazio.

Misurare e controllare il vuoto a quei livelli è un'attività impegnativa in cui la precisione è essenziale. La tecnologia attuale di solito si basa su un dispositivo chiamato misuratore di ioni. Però, i misuratori di ioni richiedono una ricalibrazione periodica e non sono compatibili con il nuovo sforzo mondiale di basare il Sistema Internazionale di Unità (SI) su principi fondamentali, costanti invarianti e fenomeni quantistici.

Ora gli scienziati del NIST hanno progettato un vacuometro abbastanza piccolo da poter essere impiegato nelle camere a vuoto comunemente utilizzate. Soddisfa anche i criteri Quantum SI, il che significa che non richiede calibrazione, dipende da costanti fondamentali della natura, riporta la quantità corretta o nessuna, e ha specificato incertezze adatte alla sua applicazione. Il nuovo misuratore tiene traccia dei cambiamenti nel numero di atomi di litio freddi intrappolati da un laser e dai campi magnetici all'interno del vuoto. Gli atomi intrappolati diventano fluorescenti a causa della luce laser.

Ogni volta che un atomo freddo viene colpito da una delle poche molecole che si muovono nella camera del vuoto, la collisione fa uscire l'atomo di litio dalla trappola, diminuendo la quantità di luce fluorescente emessa. Una telecamera registra l'oscuramento. Più velocemente la luce si attenua, più molecole ci sono nella camera a vuoto, rendendo il livello di fluorescenza una misura sensibile della pressione.

Il nuovo sistema portatile è il risultato di un progetto del NIST per creare uno standard da tavolo per vuoto ad atomo freddo (CAVS) che verrà utilizzato per effettuare misurazioni delle proprietà atomiche fondamentali. Mentre CAVS è troppo grande per, e inadatto a, utilizzo al di fuori del laboratorio, la versione portatile, o p-CAVS, è progettato per essere un sostituto "drop-in" per i vacuometri esistenti.

"Nessuno ha pensato a come miniaturizzare un vacuometro ad atomo freddo e che tipo di incertezze comporterebbe, " ha detto Stephen Eckel, uno degli scienziati del progetto che a settembre ha descritto il loro design sulla rivista metrologia . "Stiamo sviluppando un sistema del genere che potrebbe potenzialmente sostituire i sensori ora sul mercato, oltre a capire come utilizzarlo e valutarlo." I singoli componenti sono in fase di test, e nel prossimo futuro è previsto un prototipo funzionante.

Il progetto del NIST utilizza una variazione di nuova concezione su una tecnologia base della fisica atomica:la trappola magneto-ottica (MOT). In un tipico MOT, ci sono sei raggi laser, due raggi opposti su ciascuno dei tre assi. Gli atomi posti nella trappola vengono rallentati quando assorbono quantità di moto dai fotoni laser della giusta quantità di energia, smorzando il moto degli atomi. Per confinarli nella posizione desiderata, il MOT contiene un campo magnetico variabile, la cui forza è nulla al centro e aumenta con la distanza verso l'esterno. Gli atomi nelle aree ad alto campo sono più suscettibili ai fotoni laser e vengono quindi spinti verso l'interno.

Il misuratore portatile del NIST utilizza solo un singolo raggio laser diretto su un componente ottico noto come reticolo di diffrazione, che divide la luce in più fasci provenienti da diverse angolazioni. "Inserire raggi laser da sei diverse direzioni rende l'esperimento davvero grande e richiede molta ottica, " ha detto Daniel Barker, un altro scienziato del progetto NIST. "Ora hai solo bisogno di un raggio laser che entra e colpisce un reticolo di diffrazione. Quando la luce viene diffratta, ottieni gli altri raggi necessari per chiudere il MOT e creare la trappola."

A quel punto, gli atomi sono solo pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Sono colpiti da molecole ambientali, principalmente idrogeno, il gas dominante che rimane dopo che le camere a vuoto sono state cotte e quindi pompate fino al vuoto ultraalto (UHV) o estremamente alto (XHV). La gamma UHV include il livello di vuoto intorno alla Stazione Spaziale Internazionale; XHV include i livelli di pressione ancora più bassi sopra la Luna.

L'uso del litio è un'altra innovazione scientifica nella progettazione del NIST. Il litio è il terzo elemento più leggero e appartiene al gruppo dei metalli alcalini, tra cui sodio, potassio, rubidio e cesio, che sono relativamente facili da raffreddare e intrappolare. "Nessuno a nostra conoscenza ha pensato a un MOT a raggio singolo per il litio, " ha detto Barker. "Molte persone pensano al rubidio e al cesio, ma non troppo sul litio. Eppure si scopre che il litio è un sensore molto migliore per il vuoto".

Tra i vantaggi:La dinamica di interazione tra atomi di litio e molecole di idrogeno può essere calcolata esattamente dai primi principi. "Questo ci consente di creare un indicatore primario che non è necessario calibrare, " Eckel ha detto. "Inoltre, il litio ha una pressione di vapore straordinariamente bassa a temperatura ambiente (il che significa che ha una bassa tendenza a trasformarsi in uno stato gassoso). Così, tipicamente, l'atomo effettuerà un singolo passaggio attraverso la regione MOT e se non viene intrappolato colpirà un muro e vi rimarrà per sempre. Con rubidio o cesio, che hanno pressioni di vapore relativamente elevate a temperatura ambiente, alla fine rivestirai le pareti della camera a vuoto con abbastanza rubidio o cesio metallico che i rivestimenti inizieranno a emettere atomi.

"Inoltre, anche la pressione del vapore di litio rimane bassa a 150 gradi Celsius, dove le persone generalmente cuociono camere UHV e XHV per rimuovere i rivestimenti d'acqua sui componenti in acciaio inossidabile. In tal senso, è ancora possibile preparare la camera a vuoto attraverso tecniche standard, anche con questo indicatore attaccato."

Gli ambienti UHV e XHV "sono una parte fondamentale dell'infrastruttura nella produzione e nella ricerca avanzate, dai rivelatori di onde gravitazionali alla scienza dell'informazione quantistica, " ha detto James Fedchak, chi sovrintende al progetto. "CAVS sarà il primo sensore assoluto creato che opera in questo regime di pressione. Allo stato attuale, ingegneri e scienziati spesso usano l'esperimento o il processo stesso per determinare il livello di vuoto, che è spesso un test distruttivo."

"p-CAVS consentirà a ricercatori e produttori di determinare con precisione il livello di vuoto prima dell'inizio dell'esperimento o del processo, "Ha detto Fedchak. "Consentirà anche di misurare con precisione i livelli più bassi di vuoto, livelli che stanno diventando sempre più importanti in aree come la scienza dell'informazione quantistica".