Lo scienziato del NIST Stephen Eckel dietro un'unità pCAVS (cubo color argento a sinistra del centro) che è collegata a una camera a vuoto (cilindro a destra). Credito:C. Suplee/NIST
Un nuovo sistema di vacuometro quantistico inventato dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha superato il suo primo test per essere un vero standard primario, ovvero intrinsecamente accurato senza necessità di calibrazione.
La misurazione di precisione della pressione è di urgente interesse per i produttori di semiconduttori che producono i loro chip strato dopo strato in camere a vuoto che funzionano a una pressione pari o inferiore a centomiliardesimo della pressione dell'aria al livello del mare e devono controllare rigorosamente tale ambiente per garantire la qualità del prodotto.
"Le prossime generazioni di produzione di semiconduttori, tecnologie quantistiche ed esperimenti di tipo accelerazione delle particelle richiederanno tutti un vuoto squisito e la capacità di misurarlo con precisione", ha affermato Stephen Eckel, scienziato senior del progetto NIST.
Oggi, la maggior parte delle strutture commerciali e di ricerca utilizza sensori ad alto vuoto convenzionali basati sulla corrente elettrica rilevata quando le molecole di gas rarefatto in una camera vengono ionizzate (caricate elettricamente) da una sorgente di elettroni. Questi misuratori di ionizzazione possono diventare inaffidabili nel tempo e richiedere una ricalibrazione periodica. E non sono compatibili con il nuovo sforzo mondiale di basare il Sistema Internazionale di Unità (SI) su costanti fondamentali, invarianti e fenomeni quantistici.
Il sistema del NIST, al contrario, misura la quantità di molecole di gas (tipicamente idrogeno) rimanenti nella camera a vuoto misurando il loro effetto su un microscopico ammasso di atomi di litio intrappolati, raffreddati a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto e illuminati da luce laser. Non necessita di calibrazione perché la dinamica di interazione tra atomi di litio e molecole di idrogeno può essere calcolata esattamente dai primi principi.
Questo standard portatile per il vuoto ad atomi freddi (pCAVS), con un volume di 1,3 litri escluso il sistema laser, può essere facilmente collegato a camere a vuoto commerciali; uno stretto canale collega l'interno della camera al nucleo pCAVS. In una recente serie di esperimenti, quando gli scienziati hanno collegato due unità pCAVS alla stessa camera, entrambi hanno prodotto esattamente le stesse misurazioni entro le loro piccolissime incertezze.
Le unità sono state in grado di misurare con precisione pressioni fino a 40 miliardesimi di pascal (Pa), l'unità di pressione SI, entro il 2,6%. È più o meno la stessa pressione che circonda la Stazione Spaziale Internazionale. La pressione atmosferica al livello del mare è di circa 100.000 Pa.
"Lo standard portatile per il vuoto ad atomi freddi ha superato il suo primo grande test", ha affermato Eckel. "Se costruisci due standard presumibilmente primari di qualsiasi tipo, il primo passo è assicurarti che siano d'accordo tra loro quando misurano la stessa cosa. Se non sono d'accordo, chiaramente non sono standard". Eckel e colleghi hanno riportato i loro risultati online il 15 luglio sulla rivista AVS Quantum Science .
Nel nucleo del sensore pCAVS, atomi di litio ultrafreddi vaporizzati vengono dispensati da una sorgente e quindi immobilizzati in una trappola magneto-ottica (MOT) su scala di chip progettata e fabbricata presso il NIST. Gli atomi che entrano nella trappola vengono rallentati all'intersezione di quattro raggi laser:un raggio laser in ingresso e altri tre riflessi da un chip reticolo appositamente progettato. I fotoni laser sono sintonizzati esattamente sul giusto livello di energia per smorzare il movimento degli atomi.
Per confinarli nella posizione desiderata, il MOT utilizza un campo magnetico sferico prodotto da una matrice circostante di sei magneti permanenti al neodimio. L'intensità del campo è zero al centro e aumenta con la distanza verso l'esterno. Gli atomi nelle aree a campo più elevato sono più suscettibili ai fotoni laser e vengono quindi spinti verso l'interno.
Dopo che gli atomi di litio sono stati caricati nel MOT, i laser vengono spenti e una piccola frazione degli atomi, circa 10.000, viene intrappolata esclusivamente dal campo magnetico. Dopo aver atteso un po' di tempo, il laser si riaccende. La luce laser provoca la fluorescenza degli atomi, che vengono contati utilizzando una telecamera che misura la quantità di luce che producono:più luce, più atomi nella trappola e viceversa.
Ogni volta che un atomo di litio intrappolato viene colpito da una delle poche molecole che si muovono nel vuoto, la collisione fa uscire l'atomo dalla trappola magnetica. Più veloce è la velocità con cui gli atomi vengono espulsi dalla trappola, più molecole ci sono nella camera a vuoto.
Uno dei maggiori fattori di costo di un vacuometro ad atomi freddi è il numero di laser necessari per raffreddare e rilevare gli atomi. Per alleviare questo problema, entrambe le unità pCAVS ricevono luce dallo stesso laser attraverso un interruttore in fibra ottica ed effettuano misurazioni alternativamente. Lo schema consente di collegare fino a quattro unità alla stessa sorgente laser. Per le applicazioni in cui sono richiesti più sensori, come quelli negli impianti di accelerazione o nelle linee di produzione di semiconduttori, tale multiplexing di sensori pCAVS può ridurre il costo unitario.
Per l'esperimento in corso, le nubi di atomi intrappolate nei due pCAVS sono state separate di 20 cm (circa 8 pollici) in linea diretta l'una con l'altra. Di conseguenza, si presumeva che le pressioni alle due nubi di atomi fossero identiche. Ma quando il team li ha usati per la prima volta per misurare la pressione del vuoto, i due manometri hanno mostrato tassi di perdita di atomi estremamente diversi.
"Il mio cuore è affondato", ha detto Eckel. "Questi dovrebbero essere standard del vuoto e quando li abbiamo accesi, non potevano essere d'accordo sulla pressione della camera del vuoto". Per cercare di determinare l'origine della discrepanza, il team ha scambiato i componenti tra le due unità in più esperimenti. Mentre si scambiavano i componenti, i due pCAVS continuavano a non essere d'accordo, curiosamente, esattamente per la stessa quantità. "Alla fine, ci è venuto in mente:forse in realtà si trovano a pressioni diverse", ha affermato Daniel Barker, uno degli scienziati del progetto.
L'unica cosa che potrebbe aver causato loro pressioni diverse è una perdita, un piccolo foro che potrebbe consentire al gas atmosferico di entrare nel vuoto. Doveva essere molto piccolo:il team aveva controllato a fondo la presenza di tali perdite prima di attivare i pCAVS. Il team ha ottenuto il rilevatore di perdite più sensibile che sono riusciti a trovare per eseguire un'ultima ricerca e ha scoperto che c'era davvero una minuscola perdita di spillo in una delle finestre di vetro del pCAVS. Dopo che la perdita è stata riparata, i due pCAVS hanno concordato le loro misurazioni.
La ricerca di discrepanze nelle letture tra più vacuometri è un metodo di rilevamento delle perdite spesso utilizzato in grandi esperimenti scientifici, inclusi acceleratori di particelle e rilevatori di onde gravitazionali come LIGO.
Il limite principale di questa tecnica, tuttavia, è che la calibrazione della maggior parte dei vacuometri può cambiare nel tempo. Per questo motivo, è spesso difficile distinguere una vera perdita da una semplice deriva nella calibrazione. Ma poiché il pCAVS è un misuratore primario, non c'è calibrazione e quindi nessuna deriva di calibrazione. L'utilizzo di tre o più pCAVS può aiutare la prossima generazione di acceleratori e rilevatori di onde gravitazionali a triangolare le perdite nei loro grandi sistemi per vuoto con maggiore precisione.
Il prossimo passo nello sviluppo di pCAVS consiste nel convalidare il suo fondamento teorico. Per tradurre il tasso di perdita di atomi freddi dalla trappola magnetica in una pressione, sono necessari calcoli di dispersione quantistica. "Questi calcoli sono piuttosto complicati", afferma Eite Tiesinga, che guida lo sforzo teorico, "ma crediamo che i loro calcoli siano buoni fino a una piccola percentuale".
Il test finale per la teoria consiste nel costruire una speciale camera a vuoto in cui è possibile generare una pressione nota, chiamata standard di espansione dinamica, e collegare un pCAVS per misurare tale pressione. Se il pCAVS e lo standard di espansione dinamica concordano sulla pressione, ciò dimostra che la teoria è corretta. "Questo passaggio successivo del processo è già in corso e ci aspettiamo di sapere se la teoria è valida molto presto", ha detto Eckel. + Esplora ulteriormente
