UN Camera sottovuoto non è mai perfettamente vuoto. Rimane sempre un piccolo numero di atomi o molecole e misurare le minuscole pressioni che esercitano è fondamentale.
Ad esempio, i produttori di semiconduttori creano microchip in camere a vuoto che devono essere quasi completamente prive di contaminanti atomici e molecolari, e quindi devono monitorare la pressione del gas nella camera per garantire che i livelli di contaminanti siano accettabilmente bassi.
Il ricercatore del NIST Dan Barker controlla la configurazione del CAVS in laboratorio. Credito immagine: NIST
Ora, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno convalidato un nuovo approccio per misurare pressioni di gas estremamente basse chiamato CAVS, per lo standard del vuoto dell’atomo freddo.
Hanno stabilito che la loro tecnica può fungere da “standard primario” – in altre parole, può effettuare misurazioni intrinsecamente accurate senza dover prima essere calibrato per fare riferimento alle letture della pressione.
Avendo sviluppato CAVS negli ultimi sette anni, i ricercatori del NIST hanno recentemente sottoposto la loro tecnica ai test più rigorosi fino ad oggi.
Il loro nuovo studio, sulla rivista Scienza quantistica AVS, mostra che i risultati CAVS concordano con il tradizionale metodo “gold standard” per misurare le basse pressioni, dimostrando che questa nuova tecnica può effettuare misurazioni con lo stesso grado di accuratezza e affidabilità.
I ricercatori del NIST Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt e i loro colleghi hanno sviluppato e testato un nuovo metodo, noto come Cold Atom Vacuum Standard (CAVS), per misurare le pressioni ultrabasse. Credito immagine: NIST
Non solo il CAVS è in grado di effettuare misurazioni valide come quelle dei manometri tradizionali, ma può anche misurare in modo affidabile le pressioni del vuoto molto più basse – un trilionesimo della pressione atmosferica a livello del mare terrestre e inferiore – che saranno necessarie per la futura produzione di chip e la prossima scienza di generazione.
E il suo funzionamento, basato su ben noti principi della fisica quantistica, significa che può effettuare letture accurate “subito fuori dagli schemi”, senza richiedere alcuna regolazione o calibrazione ad altre fonti o tecniche di pressione di riferimento.
“Questo è il risultato culminante”, ha detto la fisica del NIST Julia Scherschligt. “Abbiamo avuto numerosi sviluppi positivi in passato. Ma questo convalida il fatto che il nostro standard di atomi freddi è davvero uno standard.
Oltre alla produzione di semiconduttori, il nuovo metodo può essere utile per altre applicazioni che richiedono ambienti ad alto vuoto, come computer quantistici, rilevatori di onde gravitazionali, acceleratori di particelle e molti altri.
Una grande camera a vuoto, dove la misurazione della pressione è di fondamentale importanza – foto illustrativa. Credito immagine: NASA
Tecnologia CAVS misura le pressioni del vuoto utilizzando un gas freddo di circa centomila atomi di litio o rubidio intrappolati in un campo magnetico. Questi atomi emettono fluorescenza quando illuminati da un laser sintonizzato sulla giusta frequenza. I ricercatori possono contare con precisione il numero di atomi intrappolati misurando l’intensità di questo bagliore.
Quando il sensore CAVS è collegato a una camera a vuoto, gli atomi o le molecole rimanenti nella camera entrano in collisione con gli atomi intrappolati. Ogni collisione fa uscire un atomo dalla trappola, riducendo il numero di atomi e l’intensità della luce emessa.
Quell’intensità, facilmente misurabile dai sensori di luce, funge da misura sensibile della pressione. Questa relazione tra il tasso di oscuramento e il numero di molecole è prevista esattamente dalla meccanica quantistica.
Questo è un altro esempio in cui le misurazioni del vuoto sono importanti. Qui, un apparecchio contiene quattro piccoli quadrati di vetro all’interno di una camera a vuoto dove viene creata una nuvola di atomi ultrafreddi in un condensato di Bose-Einstein (BEC). Credito immagine: gruppo E. Cornell/JILA/NIST
Nel nuovo lavoro, i ricercatori del NIST hanno collegato i loro sensori CAVS al classico standard di riferimento gold standard per la pressione del gas, noto come sistema di espansione dinamica.
I sistemi di espansione dinamica funzionano iniettando una quantità nota di gas, misurata in molecole al secondo, in una camera a vuoto, quindi rimuovendo lentamente il gas dall’altra estremità della camera a una velocità nota. I ricercatori calcolano quindi la pressione risultante nella camera.
In questo esperimento, i ricercatori hanno costruito un sistema di espansione dinamica ad alte prestazioni che consentiva flussi di gas estremamente piccoli – nell’intervallo da 10 miliardi a 100 miliardi di atomi o molecole al secondo – e hanno incluso un misuratore di portata su misura per misurare i flussi così bassi . Il foro che hanno costruito per rimuovere lentamente gli atomi dalla camera è stato lavorato con precisione submicrometrica.
“Il sollevamento pesante necessario per alzare uno di questi dispositivi standard classici è monumentale”, ha affermato Scherschligt. “Lo sforzo di farlo ha davvero portato a casa il punto di tutto questo esperimento, ovvero che CAVS fornisce un’elevata precisione in una forma molto più semplice”.
I ricercatori del NIST hanno testato due tipi di sensori CAVS nel loro lavoro. Uno è una versione da laboratorio; la seconda è una versione mobile che può essere facilmente utilizzata in impostazioni avanzate di produzione di chip.
“In effetti, la versione portatile è così semplice, alla fine abbiamo deciso di automatizzarla in modo tale che molto raramente dovevamo intervenire nel suo funzionamento. In effetti, la maggior parte dei dati del CAVS portatile per questo studio sono stati presi mentre dormivamo comodamente a casa”, ha detto il fisico del NIST Dan Barker.
“I gas che abbiamo misurato, inclusi azoto, elio, argon e persino neon, sono tutti gas di processo dei semiconduttori inerti”, ha affermato il fisico del NIST Steve Eckel.
“Ma in futuro, speriamo di misurare gas più reattivi come idrogeno, anidride carbonica, monossido di carbonio e ossigeno, che sono entrambi gas residui comuni che si trovano nelle camere a vuoto e gas utili per la produzione di semiconduttori”.
Insieme, questi sistemi CAVS promettono di aiutare i ricercatori che lavorano con pressioni ultrabasse a raggiungere nuovi massimi sia nella scienza che nella tecnologia.
Per verificare l’accuratezza del loro standard di vuoto ad atomi freddi (CAVS) per la misurazione di pressioni di vuoto ultrabasse, i ricercatori del NIST hanno costruito una versione ad alte prestazioni di una configurazione metrologica della pressione tradizionale nota come sistema di espansione dinamica. In questo sistema, hanno iniettato gas a una portata di circa 10-100 miliardi di molecole al secondo nella camera superiore. Il gas si è spostato dalla camera superiore alla camera inferiore, che viene evacuata da una grande pompa a una velocità nota attraverso un orifizio dimensionato con precisione. Una serie di manometri ha misurato il rapporto di pressione tra le camere superiore e inferiore per correggere le imperfezioni. Utilizzando la velocità di afflusso di gas e la velocità con cui il gas si sposta tra le due camere, i ricercatori hanno calcolato la pressione nella camera superiore, che il CAVS misura in modo indipendente. I ricercatori hanno trovato un accordo tra questo valore di pressione noto e le letture dei sensori CAVS, convalidando così il loro nuovo metodo. Credito immagine: NIST
Carta: Daniel S. Barker, James A. Fedchak, Jacek Kłos, Julia Scherschligt, Abrar A. Sheikh, Eite Tiesinga e Stephen P. Eckel. Misurazione accurata del tasso di perdita di atomi freddi a causa di collisioni di gas di fondo per lo standard quantistico del vuoto di atomi freddi. Scienza quantistica AVS. Pubblicato online il 1° agosto 2023. DOI: 10.1116/5.0147686
Fonte: NIST
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