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和同事開發(fā)并測試了一種新的方法，稱為冷原子真空標準(CAVS)，用于測量超低壓力。

　　真空室永遠不會是完全真空狀態(tài)，少數(shù)原子或分子始終存在，測量它們施加的微小壓力是至關重要的。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有原子和分子污染物，因此他們需要監(jiān)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研究院(NIST)的科學家們已經(jīng)檢定了一種測量極低氣壓的新方法，稱為CAVS，用于冷原子真空標準。他們已經(jīng)確定，該技術可以作為“基準”。換句話說，自身可以進行準確地測量，而不需要首先根據(jù)參考壓力讀數(shù)進行校準。

　　在過去七年里開發(fā)了Cavs，NIST的研究人員最近對他們的技術進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(tǒng)的測量低壓的黃金標準方法一致，表明這種新技術可以進行同樣高水平的準確、可靠的測量。

　　CAVS不僅可以像傳統(tǒng)壓力計一樣準確地進行測量，而且它還可以可靠地測量未來芯片制造和下一代科學所需的低得多的真空壓力--地球海平面大氣壓的萬億分之一或更低。它的運行基于眾所周知的量子物理原理，這意味著它可以“開箱即用”地進行準確的讀數(shù)，而不需要對其他參考壓力源或技術進行任何調(diào)整或校準。

　　“這是最終的結果，”NIST物理學家Julia Scherschligt說, “我們以前有過許多積極的進展。這證實了一個事實，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技術應用捕獲在磁場中的大約10萬個鋰或銣原子的冷氣來測量真空壓力。當這些原子被調(diào)諧到合適的頻率的激光照射時會發(fā)出熒光。研究人員可以通過測量這種發(fā)光的強度來精確地計算被捕獲的原子的數(shù)量。

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

　　在這項新工作中，NIST研究人員將CAVS傳感器安裝在被稱為動態(tài)膨脹系統(tǒng)的經(jīng)典氣體壓力黃金標準參考裝置上。動態(tài)膨脹系統(tǒng)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。