芯片制造、引力波探測器和量子計算機都可以受益于更好的真空測量方法

 　NIST的研究人員Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt和同事開(kāi)發(fā)并測試了一種新的方法，稱(chēng)為冷原子真空標準(CAVS)，用于測量超低壓力。

　　真空室永遠不會(huì )是完全真空狀態(tài)，少數原子或分子始終存在，測量它們施加的微小壓力是至關(guān)重要的。例如，半導體制造商在真空室中制造微芯片，該真空室必須幾乎完全沒(méi)有原子和分子污染物，因此他們需要監測真空室中的氣體壓力，以確保污染物水平處于可接受的低水平。

　　目前，美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的科學(xué)家們已經(jīng)檢定了一種測量極低氣壓的新方法，稱(chēng)為CAVS，用于冷原子真空標準。他們已經(jīng)確定，該技術(shù)可以作為“基準”。換句話(huà)說(shuō)，自身可以進(jìn)行準確地測量，而不需要首先根據參考壓力讀數進(jìn)行校準。

　　在過(guò)去七年里開(kāi)發(fā)了Cavs，NIST的研究人員最近對他們的技術(shù)進(jìn)行了迄今為止最嚴格的測試。在《AVS Quantum Science》雜志上發(fā)表的新研究表明，CAVS的結果與傳統的測量低壓的黃金標準方法一致，表明這種新技術(shù)可以進(jìn)行同樣高水平的準確、可靠的測量。

　　CAVS不僅可以像傳統壓力計一樣準確地進(jìn)行測量，而且它還可以可靠地測量未來(lái)芯片制造和下一代科學(xué)所需的低得多的真空壓力--地球海平面大氣壓的萬(wàn)億分之一或更低。它的運行基于眾所周知的量子物理原理，這意味著(zhù)它可以“開(kāi)箱即用”地進(jìn)行準確的讀數，而不需要對其他參考壓力源或技術(shù)進(jìn)行任何調整或校準。

　　“這是最終的結果，”NIST物理學(xué)家Julia Scherschligt說(shuō), “我們以前有過(guò)許多積極的進(jìn)展。這證實(shí)了一個(gè)事實(shí)，即我們的冷原子標準終成其為標準?！?/span>

　　除了半導體制造，這種新方法還可以用于其他需要高真空環(huán)境的應用，如量子計算機、引力波探測器、粒子加速器等。CAVS技術(shù)應用捕獲在磁場(chǎng)中的大約10萬(wàn)個(gè)鋰或銣原子的冷氣來(lái)測量真空壓力。當這些原子被調諧到合適的頻率的激光照射時(shí)會(huì )發(fā)出熒光。研究人員可以通過(guò)測量這種發(fā)光的強度來(lái)精確地計算被捕獲的原子的數量。

　　當CAVS傳感器連接到真空室時(shí)，真空室中剩余的原子或分子與被捕獲的原子相撞。每次碰撞都會(huì )把一個(gè)原子撞擊出捕獲阱，從而減少原子的數量和發(fā)出的光的強度。這種強度很容易通過(guò)光傳感器測量，是一項靈敏的壓力測量技術(shù)。這種變暗的速度和分子數量之間的關(guān)系是由量子力學(xué)準確預測的。

　　在這項新工作中，NIST研究人員將CAVS傳感器安裝在被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)膨脹系統的經(jīng)典氣體壓力黃金標準參考裝置上。動(dòng)態(tài)膨脹系統的工作原理是將已知量的氣體注入真空室，然后以已知的速度從真空室的另一端慢慢取出氣體。然后，研究人員計算出在氣室中產(chǎn)生的壓力。