Noticias de óptica y fotónica – Medición de vacío ultraalto con átomos ultrafríos

¿Qué tienen en común la fabricación de chips semiconductores, los enormes observatorios de ondas gravitacionales como LIGO y ciertas variedades de computadoras cuánticas? Una cosa es que el trabajo de los tres se basa en la delicada hazaña de alcanzar, mantener y medir el vacío entre alto y ultraalto. Un equipo de científicos estadounidenses ahora afirma haber validado un enfoque de metrología de vacío que podría facilitar considerablemente la tarea.

Durante los últimos siete años, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. han estado desarrollando sensores de vacío cuánticos de próxima generación. Estos sensores, que se conocen con el acrónimo CAVS (por el estándar de vacío de átomo frío), se basan en nubes de átomos atrapados magnéticamente enfriados por láser y un poco de magia de fluorescencia para medir de manera confiable el vacío hasta ‘en el área 10^–8 Pa: menos de una billonésima parte de la presión atmosférica al nivel del mar.

En un trabajo publicado recientemente, el equipo ahora ha informado sobre el hito de validar su CAVS cuántico frente al estándar de oro clásico para metrología de vacío, conocido como expansión dinámica (AVS Quant. Sci., doi: 10.1116/5.0147686). Como resultado de esta validación, los investigadores creen que el enfoque CAVS, que creen que es significativamente más fácil de configurar y usar que los sistemas de expansión dinámica, podría permitir una calibración más sencilla y directa de los sistemas de medición de vacío convencionales. Y una versión portátil, denominada p-CAVS, podría incluso reemplazar algunos tipos de vacuómetros en el campo.

De menos a más

El enfoque del átomo frío para la metrología del vacío funciona derribando un rompecabezas de larga data en el sector del átomo atrapado.

En una trampa de átomos magnéticos, los átomos neutros con un momento magnético, como los de los metales alcalinos litio y rubidio, se enfrían primero a niveles submilikelvin, generalmente mediante la presión de radiación de un láser. Luego, la nube de átomos fríos se somete a un alto gradiente de campo magnético, que atrapa átomos neutros enfriados que se mueven lentamente en mínimos de energía locales dentro del campo magnético.

El enfoque del átomo frío para la metrología del vacío funciona derribando un rompecabezas de larga data en el sector del átomo atrapado.

Aunque una trampa magnética de laboratorio en sí misma debe operar bajo un vacío ultraalto, ningún vacío es perfecto; siempre hay algunos átomos o moléculas de gas de fondo rebotando en la cámara de vacío. Estas moléculas de gas eventualmente chocarán con los átomos atrapados magnéticamente y los sacarán de la trampa. Esto significa que los átomos fríos solo pueden mantenerse en su lugar en una trampa magnética poco profunda durante un tiempo limitado, una restricción que debe tenerse en cuenta en los experimentos.

Sin embargo, durante la última década, los investigadores han reconocido cada vez más que esta limitación inherente de atrapar átomos fríos podría aprovecharse en otra aplicación, la medición de vacíos extremadamente dispersos. Específicamente, si se puede medir la velocidad a la que los átomos en la trampa rebotan en los átomos o moléculas del gas de fondo, debería ser posible determinar la densidad de las moléculas del gas, no, en la habitación. En este punto, una simple aplicación de la ley de los gases ideales, pag = nkT (O pag es la presión, j es la temperatura y k es la constante de Boltzmann) calcula la presión en la cámara de vacío.

El enfoque CAVS

El equipo del NIST puso en práctica esta idea en dos tipos de sensores CAVS. Uno, una configuración a escala de laboratorio (l-CAVS), utiliza átomos de rubidio como sensor; el otro, un CAVS portátil (p-CAVS), utiliza átomos de litio.

El dispositivo CAVS se conecta primero a la cámara de vacío que se va a medir y permanece en equilibrio de presión con la cámara a medida que se evacua el aire. Cuando la cámara ha alcanzado el vacío total, unos cientos de miles de átomos de Rb o Li se enfrían con láser y se capturan en una trampa magneto-óptica (MOT). Durante el proceso de enfriamiento y captura, el gas del átomo de metal alcalino emite fluorescencia y la señal de fluorescencia se captura con una cámara CMOS.

La nube de átomos capturados por MOT luego se transfiere a una trampa magnética de cuadrupolo en el CAVS y se deja reposar en la trampa durante un período específico. Durante este tiempo, algunos de los átomos atrapados son expulsados ​​de la trampa por colisiones con moléculas de gas de fondo en el vacío. La nube de átomos del sensor se vuelve a transferir al MOT, emitiendo nuevamente una señal de fluorescencia que es capturada por la cámara CMOS.

La diferencia entre la intensidad de la fluorescencia en la segunda medición y la primera está relacionada (con algunas suposiciones) con el número de átomos de Rb o Li expulsados ​​por las colisiones con los átomos de gas de fondo durante el tiempo que los átomos de metal estuvieron en la trampa magnética y, por lo tanto, , la tasa de pérdida de átomos de la trampa. La tasa de pérdida de átomos atrapados, a su vez, permite un cálculo directo de la presión de vacío atribuible al gas de fondo, sin referencia a ningún otro estándar.

Validación CAVS

En su trabajo publicado recientemente, el equipo del NIST validó el enfoque CAVS para la medición del vacío al construir primero un sistema de expansión dinámica de última generación, el estándar de oro clásico para calibrar vacuómetros. La configuración de expansión dinámica utiliza esencialmente la inyección y eliminación de gases a una velocidad estrictamente controlada para establecer una densidad conocida de átomos o moléculas de fondo en la cámara de vacío. La complicada construcción realizada por los científicos del NIST incluyó el mecanizado a nivel submicrométrico para permitir un control suficientemente preciso del flujo de gas a través del sistema.

Luego, el equipo adjuntó ambos sabores de su CAVS al sistema de expansión dinámica y usó cada CAVS para medir los coeficientes de tasa de pérdida para seis especies de gas de proceso inerte (He, Ne, N₂, Ar, Kr y Xe) importantes en la fabricación de semiconductores. El equipo descubrió que los coeficientes coincidían estrechamente con los valores teóricos de las densidades de gas de fondo definidas por el sistema de expansión dinámica.

En otras palabras, escribe el equipo, el resultado muestra que «la medición cuántica de la presión de vacío con átomos fríos es consistente con la definida por un estándar combinado de expansión dinámica y medidor de flujo… El acuerdo entre el estándar de expansión dinámica y CAVS válido [the cold-atom sensors’] funcionando como estándares cuánticos para la presión de vacío.

Hacia una medición más sencilla del vacío ultraalto

El equipo ve una serie de ventajas significativas en su CAVS cuántico sobre los enfoques convencionales de metrología de vacío. La primera es que la medición de presión CAVS es primaria, con referencia solo a estándares como el segundo SI y la unidad de temperatura Kelvin. Esto significa que podría usarse para reemplazar los sistemas de expansión dinámica convencionales para calibrar otros manómetros.

Eso podría significar una victoria significativa en simplicidad, según Julia Scherschligt, miembro del equipo. “El arduo trabajo requerido para colocar uno de estos dispositivos estándar clásicos es monumental”, dijo en un comunicado de prensa que acompaña al periódico. «CAVS ofrece alta precisión en una forma mucho más simple».

Además, el equipo cree que p-CAVS podría usarse no solo para la calibración de otros medidores, sino también como un reemplazo directo para ciertos tipos de sistemas de metrología de presión súper sensibles que se usan en aplicaciones como la fabricación de semiconductores. Para avanzar en estos planes, el equipo deberá extender su trabajo a mediciones de gases de fondo más reactivos como O₂CO₂CO y H₂. El equipo ya está trabajando en las actualizaciones de su plataforma de prueba para permitir estas mediciones.