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Stewart Wills

Die NIST-Vakuumhelden Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt und ihre Kollegen haben eine Methode validiert, bei der lasergekühlte Atome und magnetische Fallen zur Messung ultraniedriger Drücke verwendet werden. [Bild: NIST]

Was haben die Herstellung von Halbleiterchips, riesige Gravitationswellenobservatorien wie LIGO und einige Arten von Quantencomputern gemeinsam? Eine Sache ist, dass die Arbeit aller drei auf der kniffligen Aufgabe beruht, Hoch- bis Ultrahochvakuum zu erreichen, aufrechtzuerhalten und zu messen. Ein Team von US-Wissenschaftlern sagt nun, es habe einen Vakuummessansatz validiert, der die Aufgabe erheblich erleichtern könnte.

Seit sieben Jahren entwickeln Forscher am US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) quantenbasierte Vakuumsensoren der nächsten Generation. Diese Sensoren mit der Abkürzung CAVS (Cold-Atom-Vakuum-Standard) basieren auf Wolken aus lasergekühlten, magnetisch eingefangenen Atomen und ein wenig Fluoreszenzmagie, um das Vakuum zuverlässig bis in den Bereich von 10–8 Pa – also weniger – zu messen als ein Billionstel des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe.

In einer neu veröffentlichten Arbeit hat das Team nun über den bedeutenden Schritt der Validierung seiner Quanten-CAVSs anhand des klassischen Goldstandards für Vakuummesstechnik, bekannt als dynamische Expansion, berichtet (AVS Quant. Sci., doi: 10.1116/5.0147686). Nach dieser Validierung glauben die Forscher, dass der CAVS-Ansatz – der ihrer Meinung nach wesentlich einfacher einzurichten und zu verwenden ist als dynamische Expansionssysteme – eine einfachere und unkompliziertere Kalibrierung herkömmlicher Vakuummesssysteme ermöglichen könnte. Und eine tragbare Version namens p-CAVS könnte sogar einige Arten von Vakuummessgeräten im Feld ersetzen.

Der Kaltatom-Ansatz für die Vakuummesstechnik funktioniert, indem er ein seit langem bestehendes Problem des Trapped-Atom-Geschäfts auf den Kopf stellt.

In einer magnetischen Atomfalle werden neutrale Atome mit einem magnetischen Moment, beispielsweise die der Alkalimetalle Lithium und Rubidium, zunächst auf Werte unter einem Millikelvin abgekühlt, üblicherweise durch den Strahlungsdruck eines Lasers. Anschließend wird die Wolke aus kalten Atomen einem hohen Magnetfeldgradienten ausgesetzt, der die langsamen, abgekühlten neutralen Atome in lokalen Energieminima innerhalb des Magnetfelds einfängt.

Der Kaltatom-Ansatz für die Vakuummesstechnik funktioniert, indem er ein seit langem bestehendes Problem des Trapped-Atom-Geschäfts auf den Kopf stellt.

Auch wenn eine Labormagnetfalle selbst im Ultrahochvakuum betrieben werden muss, ist kein Vakuum perfekt; Es gibt immer ein paar Hintergrundgasatome oder -moleküle, die in der Vakuumkammer umherspringen. Diese Gasmoleküle werden schließlich mit den magnetisch gefangenen Atomen kollidieren und sie aus der Falle herausstoßen. Das bedeutet, dass die kalten Atome nur für eine begrenzte Zeit in einer flachen Magnetfalle an Ort und Stelle gehalten werden können, eine Einschränkung, die bei Experimenten berücksichtigt werden muss.

Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben Forscher jedoch zunehmend erkannt, dass diese inhärente Einschränkung beim Einfangen kalter Atome in einer anderen Anwendung zum Vorteil genutzt werden könnte – der Messung extrem spärlicher Vakuume. Wenn insbesondere die Geschwindigkeit gemessen werden kann, mit der Atome in der Falle durch Hintergrundgasatome oder -moleküle herausgeschleudert werden, sollte es möglich sein, die Dichte der Gasmoleküle, n, in der Kammer zu bestimmen. An diesem Punkt berechnet eine einfache Anwendung des idealen Gasgesetzes p = nkT (wobei p der Druck, T die Temperatur und k die Boltzmann-Konstante ist) den Druck in der Vakuumkammer.

Das NIST-Team hat diese Idee in zwei Varianten von CAVS-Sensoren umgesetzt. Bei einem handelt es sich um einen Aufbau im Labormaßstab (l-CAVS), der Rubidiumatome als Sensor verwendet. das andere, ein tragbares CAVS (p-CAVS), verwendet Lithiumatome.

Ein NIST-Video veranschaulicht die grundlegenden Prozesse im CAVS-System. [Bild: NIST] [Video ansehen]

Das CAVS-Gerät wird zunächst an die zu messende Vakuumkammer angeschlossen und bleibt im Druckgleichgewicht mit der Kammer, während Luft aus der Kammer evakuiert wird. Wenn die Kammer das volle Vakuum erreicht hat, werden einige hunderttausend Rb- oder Li-Atome lasergekühlt und in einer magnetooptischen Falle (MOT) eingefangen. Während des Kühl- und Einfangprozesses fluoresziert das Alkalimetallatomgas und das Fluoreszenzsignal wird mit einer CMOS-Kamera erfasst.

Die MOT-eingefangene Atomwolke wird dann in eine Quadrupol-Magnetfalle im CAVS überführt und dort für einen bestimmten Zeitraum verbleiben gelassen. Während dieser Zeit wird ein Teil der gefangenen Atome durch Kollisionen mit Hintergrundgasmolekülen im Vakuum aus der Falle geschleudert. Die Wolke aus Sensoratomen wird dann zurück in das MOT übertragen und gibt dort erneut ein Fluoreszenzsignal ab, das von der CMOS-Kamera erfasst wird.

Der Unterschied zwischen der Fluoreszenzintensität in der zweiten und der ersten Messung hängt (mit einigen Annahmen) mit der Anzahl der Rb- oder Li-Atome zusammen, die während der Zeit, in der sich die Metallatome in der Magnetfalle befanden, durch Kollisionen mit Hintergrundgasatomen herausgedrückt wurden – und somit , zur Verlustrate von Atomen aus der Falle. Die Rate des Verlusts eingefangener Atome wiederum ermöglicht eine direkte Berechnung des Vakuumdrucks, der dem Hintergrundgas zuzuschreiben ist, ohne Bezug auf einen anderen Standard.

Um das CAVS-System zu validieren, schlossen sie es an ein hochmodernes klassisches dynamisches Expansionssystem (grau) an, das ein bekanntes Vakuumniveau einstellt, indem es den Zu- und Abfluss einer bekannten Menge an Gasen durch das System präzise steuert. [Bild: NIST]

In seiner kürzlich veröffentlichten Arbeit validierte das NIST-Team den CAVS-Ansatz zur Vakuummessung, indem es zunächst ein hochmodernes dynamisches Expansionssystem konstruierte – den klassischen Goldstandard für die Kalibrierung von Vakuummessgeräten. Der dynamische Expansionsaufbau nutzt im Wesentlichen die Injektion und Entfernung von Gasen mit einer streng kontrollierten Durchflussrate, um eine bekannte Dichte von Hintergrundatomen oder -molekülen in der Vakuumkammer einzustellen. Der komplizierte Aufbau der NIST-Wissenschaftler umfasste eine Bearbeitung im Submikrometerbereich, um eine ausreichend präzise Steuerung des Gasflusses durch das System zu ermöglichen.

Das Team schloss dann beide Varianten seines CAVS an das dynamische Expansionssystem an und nutzte jedes CAVS, um die Verlustratenkoeffizienten für sechs Arten inerter Prozessgase (He, Ne, N2, Ar, Kr und Xe) zu messen, die in der Halbleiterindustrie wichtig sind Herstellung. Das Team stellte fest, dass die Koeffizienten eng mit den theoretischen Werten für die vom dynamischen Expansionssystem festgelegten Hintergrundgasdichten übereinstimmten.

Anders ausgedrückt, schreibt das Team, zeigt das Ergebnis, dass „die quantenbasierte Messung des Vakuumdrucks mit kalten Atomen mit der durch einen kombinierten Durchflussmesser und dynamischen Expansionsstandard festgelegten Norm übereinstimmt … Die Übereinstimmung zwischen dem dynamischen Expansionsstandard und dem CAVS validiert [die Kälte.“ -Atomsensoren] funktionieren als quantenbasierte Standards für den Vakuumdruck.“

Teammitglied Steven Eckel hinter einer p-CAVS-Einheit (silberfarbener Würfel links), die an eine Vakuumkammer (Zylinder rechts) angeschlossen ist. [Bild: C. Suplee / NIST]

Das Team sieht in seinem quantenbasierten CAVS eine Reihe erheblicher Vorteile gegenüber klassischen Ansätzen der Vakuummesstechnik. Zum einen ist die CAVS-Druckmessung primär und bezieht sich nur auf Standards wie die SI-Sekunde und die Temperatureinheit Kelvin. Somit könnte es prinzipiell als Ersatz für klassische dynamische Ausdehnungssysteme zur Kalibrierung anderer Druckmessgeräte eingesetzt werden.

Laut Teammitglied Julia Scherschligt könnte dies einen erheblichen Gewinn an Einfachheit bedeuten. „Die schwere Hebung, die erforderlich ist, um eines dieser klassischen Standardgeräte aufzustellen, ist enorm“, sagte sie in einer Pressemitteilung zum Papier. „CAVS bietet hohe Genauigkeit in einer viel einfacheren Form.“

Darüber hinaus glaubt das Team, dass das p-CAVS nicht nur zur Kalibrierung anderer Messgeräte, sondern auch als direkter Ersatz für bestimmte Arten hochempfindlicher Druckmesssysteme verwendet werden könnte, die in Anwendungen wie der Halbleiterfertigung eingesetzt werden. Um diese Pläne voranzutreiben, muss das Team seine Validierungsarbeit auf Messungen reaktiverer Hintergrundgase wie O2, CO2, CO und H2 ausweiten. Das Team arbeitet bereits an Upgrades seiner Testplattform, um diese Messungen zu ermöglichen.

Veröffentlichungsdatum: 14. August 2023