p Muitos fabricantes de semicondutores e laboratórios de pesquisa estão sob pressão crescente de, de todas as coisas, vácuo. Essas instalações precisam remover grandes quantidades de moléculas e partículas de gás de suas configurações, à medida que novas tecnologias e processos exigem pressões cada vez mais baixas. Por exemplo, as câmaras de vácuo nas quais os fabricantes de microchips colocam uma série de camadas ultrafinas de produtos químicos passo a passo - um processo que deve estar totalmente livre de contaminantes - operam a cerca de um centésimo bilionésimo da pressão do ar no nível do mar. Algumas aplicações precisam de pressões pelo menos mil vezes menores do que isso, aproximando-se dos ambientes ainda mais rarefeitos da Lua e do espaço sideral. p Medir e controlar o vácuo nesses níveis é um negócio exigente em que a precisão é essencial. A tecnologia atual geralmente depende de um dispositivo chamado medidor de íons. Contudo, medidores de íons requerem recalibração periódica e não são compatíveis com o novo esforço mundial para basear o Sistema Internacional de Unidades (SI) em fundamentos, constantes invariantes e fenômenos quânticos.

p Agora, os cientistas do NIST projetaram um medidor de vácuo que é pequeno o suficiente para ser implantado em câmaras de vácuo comumente usadas. Ele também atende aos critérios Quantum SI, o que significa que não requer calibração, depende de constantes fundamentais da natureza, relata a quantidade correta ou nenhuma, e especificou incertezas que são adequadas para sua aplicação. O novo medidor rastreia mudanças no número de átomos de lítio frios capturados por um laser e campos magnéticos dentro do vácuo. Os átomos presos fluorescem como resultado da luz do laser.

p Cada vez que um átomo frio é atingido por uma das poucas moléculas que se movem na câmara de vácuo, a colisão chuta o átomo de lítio para fora da armadilha, diminuindo a quantidade de luz fluorescente emitida. Uma câmera registra o escurecimento. Quanto mais rápido a luz diminui, quanto mais moléculas estiverem na câmara de vácuo, tornando o nível de fluorescência uma medida sensível de pressão.

p O novo sistema portátil é o resultado de um projeto do NIST para criar um padrão de vácuo de átomo frio de mesa (CAVS) que será usado para fazer medições de propriedades atômicas fundamentais. Embora CAVS seja muito grande para, e inadequado para, usar fora do laboratório, a versão portátil, ou p-CAVS, é projetado para ser um substituto "drop-in" para medidores de vácuo existentes.

p "Ninguém pensou em como miniaturizar um medidor de vácuo de átomo frio e que tipo de incertezas isso acarretaria, "disse Stephen Eckel, um dos cientistas do projeto que em setembro descreveu seu projeto no jornal Metrologia . "Estamos em processo de desenvolvimento de um sistema que poderia substituir os sensores agora no mercado, bem como descobrir como operá-lo e avaliá-lo. "Componentes individuais estão sendo testados, e um protótipo funcional é esperado em um futuro próximo.

p O projeto do NIST usa uma variação recém-desenvolvida em uma tecnologia básica da física atômica:a armadilha magneto-óptica (MOT). Em um MOT típico, existem seis feixes de laser - dois feixes opostos em cada um dos três eixos. Os átomos colocados na armadilha são retardados quando absorvem o momento dos fótons do laser com a quantidade exata de energia, amortecendo o movimento dos átomos. Para confiná-los no local desejado, o MOT contém um campo magnético variável, cuja força é zero no centro e aumenta com a distância para fora. Os átomos em áreas de campo mais alto são mais suscetíveis a fótons de laser e, portanto, são empurrados para dentro.

p O medidor portátil do NIST usa apenas um único feixe de laser direcionado a um componente óptico conhecido como rede de difração, que divide a luz em vários feixes provenientes de vários ângulos. "Colocar feixes de laser de seis direções diferentes torna o experimento muito grande e precisa de muita óptica, "disse Daniel Barker, outro cientista do projeto NIST. "Agora você só precisa de um feixe de laser que entra e atinge uma grade de difração. Quando a luz é difratada, você obtém os outros feixes de que precisa para fechar o MOT e fazer a armadilha."

p Nesse ponto, os átomos estão apenas alguns milésimos de grau acima do zero absoluto. Eles são atingidos por moléculas ambientais, principalmente hidrogênio - o gás dominante que permanece depois que as câmaras de vácuo são cozidas e, em seguida, bombeado para ultra-alto (UHV) ou vácuo extremo-alto (XHV). A faixa de UHV inclui o nível de vácuo ao redor da Estação Espacial Internacional; XHV inclui os níveis de pressão ainda mais baixos acima da lua.

p O uso de lítio é outra inovação científica no design do NIST. O lítio é o terceiro elemento mais leve e pertence ao grupo dos metais alcalinos - incluindo o sódio, potássio, rubídio e césio - que são comparativamente fáceis de resfriar e reter. "Ninguém, até onde sabemos, tem pensado em um MOT de feixe único para o lítio, "Barker disse." Muitas pessoas pensam sobre rubídio e césio, mas não muitos sobre o lítio. No entanto, descobriu-se que o lítio é um sensor muito melhor para vácuo. "

p Entre as vantagens:A dinâmica de interação entre átomos de lítio e moléculas de hidrogênio pode ser calculada exatamente a partir dos primeiros princípios. "Isso nos permite fazer um medidor primário que você não precisa calibrar, "Disse Eckel." Além disso, O lítio tem uma pressão de vapor extraordinariamente baixa à temperatura ambiente (o que significa que tem uma tendência baixa de se transformar em um estado gasoso). Então, tipicamente, o átomo fará uma única passagem pela região MOT e, se não estiver preso, atingirá uma parede e ficará lá para sempre. Com rubídio ou césio, que têm pressões de vapor relativamente altas em temperatura ambiente, eventualmente, você revestirá as paredes da câmara de vácuo com rubídio ou césio metálico suficiente para que os revestimentos comecem a emitir átomos.

p "Além disso, a pressão de vapor do lítio também permanece baixa a 150 graus Celsius, onde as pessoas geralmente cozinham câmaras UHV e XHV para remover revestimentos de água nos componentes de aço inoxidável. Nesse sentido, você ainda pode preparar a câmara de vácuo por meio de técnicas padrão, mesmo com este medidor conectado. "

p Ambientes UHV e XHV "são uma parte crítica da infraestrutura na fabricação e pesquisa avançada, de detectores de ondas gravitacionais à ciência da informação quântica, "disse James Fedchak, quem supervisiona o projeto. “O CAVS será o primeiro sensor absoluto criado que opera neste regime de pressão. Atualmente, engenheiros e cientistas costumam usar o experimento ou o próprio processo para determinar o nível de vácuo, que geralmente é um teste destrutivo. "

p "O p-CAVS permitirá que pesquisadores e fabricantes determinem com precisão o nível de vácuo antes do início do experimento ou processo, "disse Fedchak." Isso também permitirá que níveis mais baixos de vácuo sejam medidos com precisão - níveis que estão se tornando cada vez mais importantes em áreas como a ciência da informação quântica. "