芯片制造、引力波探測器和量子計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)(CAVS)，用于測量超低壓力。

　　真空室永遠(yuǎn)不會(huì)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(guān)重要的。例如，半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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，稱為CAVS，用于冷原子真空標(biāo)準(zhǔn)。他們已經(jīng)確定，該技術(shù)可以作為“基準(zhǔn)”。換句話說，自身可以進(jìn)行準(zhǔn)確地測量，而不需要首先根據(jù)參考壓力讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　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(shù)進(jìn)行了迄今為止最嚴(yán)格的測試。在《AVS Quantum Science》雜志上發(fā)表的新研究表明，CAVS的結(jié)果與傳統(tǒng)的測量低壓的黃金標(biāo)準(zhǔn)方法一致，表明這種新技術(shù)可以進(jìn)行同樣高水平的準(zhǔn)確、可靠的測量。

　　CAVS不僅可以像傳統(tǒng)壓力計(jì)一樣準(zhǔn)確地進(jìn)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(xué)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(yùn)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(jìn)行準(zhǔn)確的讀數(shù)，而不需要對其他參考壓力源或技術(shù)進(jìn)行任何調(diào)整或校準(zhǔn)。

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

　　除了半導(dǎo)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(yīng)用，如量子計(jì)算機(jī)、引力波探測器、粒子加速器等。CAVS技術(shù)應(yīng)用捕獲在磁場中的大約10萬個(gè)鋰或銣原子的冷氣來測量真空壓力。當(dāng)這些原子被調(diào)諧到合適的頻率的激光照射時(shí)會(huì)發(fā)出熒光。研究人員可以通過測量這種發(fā)光的強(qiáng)度來精確地計(jì)算被捕獲的原子的數(shù)量。

　　當(dāng)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(shù)量和發(fā)出的光的強(qiáng)度。這種強(qiáng)度很容易通過光傳感器測量，是一項(xiàng)靈敏的壓力測量技術(shù)。這種變暗的速度和分子數(shù)量之間的關(guān)系是由量子力學(xué)準(zhǔn)確預(yù)測的。

　　在這項(xiàng)新工作中，NIST研究人員將CAVS傳感器安裝在被稱為動(dòng)態(tài)膨脹系統(tǒng)的經(jīng)典氣體壓力黃金標(biāo)準(zhǔn)參考裝置上。動(dòng)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(jì)算出在氣室中產(chǎn)生的壓力。