Um novo sistema de medidor de vácuo baseado em quantum inventado por pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) passou em seu primeiro teste para ser um verdadeiro padrão primário – ou seja, intrinsecamente preciso sem a necessidade de calibração.
A medição de pressão de precisão é de interesse urgente para fabricantes de semicondutores que fabricam seus chips camada por camada em câmaras de vácuo operando em ou abaixo de um centésimo bilionésimo da pressão do ar ao nível do mar e devem controlar rigorosamente esse ambiente para garantir a qualidade do produto.

“As próximas gerações de fabricação de semicondutores, tecnologias quânticas e experimentos do tipo aceleração de partículas exigirão vácuo requintado e a capacidade de medi-lo com precisão”, disse o cientista sênior do projeto NIST, Stephen Eckel.

Hoje, a maioria das instalações comerciais e de pesquisa usa sensores convencionais de alto vácuo com base na corrente elétrica detectada quando moléculas de gás rarefeito em uma câmara são ionizadas (carregadas eletricamente) por uma fonte de elétrons. Esses medidores de ionização podem se tornar não confiáveis ​​com o tempo e exigir recalibração periódica. E não são compatíveis com o novo esforço mundial de basear o Sistema Internacional de Unidades (SI) em constantes invariantes e fenômenos quânticos fundamentais.

O sistema do NIST, por outro lado, mede a quantidade de moléculas de gás (normalmente hidrogênio) que permanecem na câmara de vácuo medindo seu efeito em um aglomerado microscópico de átomos de lítio presos resfriados a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto e iluminados por luz laser. Ele não precisa de calibração porque a dinâmica da interação entre átomos de lítio e moléculas de hidrogênio pode ser calculada exatamente a partir dos primeiros princípios.

Este padrão portátil de vácuo de átomo frio (pCAVS)—1,3 litros de volume, excluindo o sistema de laser—pode ser facilmente conectado a câmaras de vácuo comerciais; um canal estreito conecta o interior da câmara ao núcleo pCAVS. Em uma série recente de experimentos, quando os cientistas conectaram duas unidades pCAVS à mesma câmara, ambas produziram exatamente as mesmas medições dentro de suas incertezas muito pequenas.

As unidades foram capazes de medir com precisão pressões tão baixas quanto 40 bilionésimos de pascal (Pa), a unidade de pressão do SI, dentro de 2,6%. Isso é quase o mesmo que a pressão em torno da Estação Espacial Internacional. A pressão atmosférica ao nível do mar é de cerca de 100.000 Pa.

"O padrão portátil de vácuo de átomo frio passou em seu primeiro grande teste", disse Eckel. "Se você construir dois padrões presumivelmente primários de qualquer tipo, o primeiro passo é ter certeza de que eles concordam um com o outro quando medem a mesma coisa. Se eles discordam, eles claramente não são padrões." Eckel e colegas relataram seus resultados on-line em 15 de julho na revista AVS Quantum Science .

No núcleo do sensor pCAVS, átomos de lítio ultrafrios vaporizados são dispensados ​​de uma fonte e, em seguida, imobilizados em uma armadilha magneto-óptica (MOT) projetada e fabricada no NIST. Os átomos que entram na armadilha são retardados na interseção de quatro feixes de laser:um feixe de laser de entrada e três outros refletidos por um chip de grade especialmente projetado. Os fótons do laser são ajustados exatamente no nível de energia certo para amortecer o movimento dos átomos.

Para confiná-los no local desejado, o MOT usa um campo magnético esférico produzido por uma matriz circundante de seis ímãs permanentes de neodímio. A intensidade do campo é zero no centro e aumenta com a distância para fora. Átomos em áreas de campo mais alto são mais suscetíveis a fótons de laser e, portanto, são empurrados para dentro.

Depois que os átomos de lítio são carregados no MOT, os lasers são desligados e uma pequena fração dos átomos – cerca de 10.000 – fica presa apenas pelo campo magnético. Depois de esperar algum tempo, o laser é ligado novamente. A luz do laser faz com que os átomos fluoresçam, e eles são contados usando uma câmera que mede a quantidade de luz que produzem:quanto mais luz, mais átomos na armadilha e vice-versa.

Toda vez que um átomo de lítio preso é atingido por uma das poucas moléculas que se movem no vácuo, a colisão chuta o átomo para fora da armadilha magnética. Quanto mais rápida a taxa com que os átomos são ejetados da armadilha, mais moléculas ficam na câmara de vácuo.

Um dos maiores fatores de custo de um medidor de vácuo de átomo frio é o número de lasers necessários para resfriar e detectar os átomos. Para aliviar esse problema, ambas as unidades pCAVS recebem luz do mesmo laser através de um switch de fibra ótica e fazem medições alternadamente. O esquema permite que até quatro unidades sejam conectadas à mesma fonte de laser. Para aplicações em que vários sensores são necessários, como aqueles em instalações de aceleradores ou linhas de fabricação de semicondutores, essa multiplexação de sensores pCAVS pode reduzir o custo por unidade.

Para o experimento atual, as nuvens de átomos presos nos dois pCAVSs foram separadas por 20 cm (cerca de 8 polegadas) em linha direta de visão uma da outra. Como resultado, as pressões nas duas nuvens de átomos foram consideradas idênticas. Mas quando a equipe os usou pela primeira vez para medir a pressão do vácuo, os dois medidores mostraram taxas muito diferentes de perda de átomos.

"Meu coração afundou", disse Eckel. "Estes deveriam ser padrões de vácuo e, quando os ligamos, eles não concordaram com a pressão da câmara de vácuo." Para tentar determinar a fonte da discrepância, a equipe trocou componentes entre as duas unidades em vários experimentos. À medida que trocavam componentes, os dois pCAVSs continuavam a discordar – curiosamente, exatamente na mesma proporção. "Finalmente, ocorreu-nos:talvez eles estejam de fato sob pressões diferentes", disse Daniel Barker, um dos cientistas do projeto.

A única coisa que poderia tê-los causado a pressões diferentes é um vazamento, um pequeno buraco que poderia permitir que o gás atmosférico entrasse no vácuo. Tinha que ser muito pequeno:a equipe havia verificado minuciosamente esses vazamentos antes de ligar os pCAVSs. A equipe pegou o detector de vazamento mais sensível que conseguiu encontrar para fazer uma busca final e descobriu que havia de fato um pequeno vazamento em uma das janelas de vidro do pCAVS. Após o reparo do vazamento, os dois pCAVS concordaram em suas medições.

Procurar discrepâncias nas leituras entre vários medidores de vácuo é um método de detecção de vazamentos frequentemente usado em grandes experimentos científicos, incluindo aceleradores de partículas e detectores de ondas de gravidade, como o LIGO.

A principal limitação desta técnica, no entanto, é que a calibração da maioria dos medidores de vácuo pode mudar com o tempo. Por esse motivo, muitas vezes é difícil distinguir um vazamento verdadeiro de apenas um desvio na calibração. Mas como o pCAVS é o medidor primário, não há calibração e, portanto, não há desvio de calibração. O uso de três ou mais pCAVSs pode ajudar a próxima geração de aceleradores e detectores de ondas gravitacionais a triangular vazamentos em seus grandes sistemas de vácuo com maior precisão.

O próximo passo no desenvolvimento do pCAVS é validar sua fundamentação teórica. Para traduzir a taxa de perda de átomos frios da armadilha magnética em uma pressão, são necessários cálculos de espalhamento quântico. "Esses cálculos são bastante complicados", diz Eite Tiesinga, que lidera o esforço teórico, "mas acreditamos que seus cálculos sejam bons para alguns por cento".

O teste final para a teoria é construir uma câmara de vácuo especial onde uma pressão conhecida pode ser gerada - chamada de padrão de expansão dinâmica - e anexar um pCAVS para medir essa pressão. Se o pCAVS e o padrão de expansão dinâmica concordarem na pressão, isso é evidência de que a teoria está correta. "Esta próxima etapa do processo já está em andamento e esperamos saber se a teoria é boa muito em breve", disse Eckel. + Explorar mais

Uma nova maneira de medir quase nada:átomos ultrafrios presos para medir pressão