NIST 展示了测量超低压的新“基准标准”
光子盒研究院
NIST 研究人员Dan Barker、Steve Eckel、Jim Fedchak、Julia Scherschligt及其同事开发并测试了一种测量超低压的新方法，即冷原子真空标准（CAVS）。
真空室永远不会是完全空的。总会残留少量原子或分子，测量它们施加的微小压力至关重要。例如，半导体制造商在真空室中制造微芯片，真空室必须几乎完全没有原子和分子污染物，因此他们需要监测真空室中的气体压力，以确保污染物含量低到可以接受的程度。
现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们已经验证了一种测量极低气体压力的新方法，这种方法被称为冷原子真空标准（cold atom vacuum standard,CAVS）。他们已经确定，他们的技术可以作为“基准标准(primary standard)”：换句话说，它可以进行本质上精确的测量，而无需首先根据参考压力读数进行校准。
NIST 的研究人员在过去七年里开发出了 CAVS，最近又对其技术进行了迄今为止最严格的测试。他们在《AVS 量子科学》杂志上发表的最新研究表明，CAVS 的测量结果与测量低压的传统“黄金标准”方法一致，这表明这项新技术能够以同样的准确度和可靠性进行测量。
8月1日，研究成果以“Accurate measurement of the loss rate of cold atoms due to background gas collisions for the quantum-based cold atom vacuum standard”为题，发表在《AVS 量子科学》杂志上。
为了验证用于测量超低真空压力的冷原子真空标准 (CAVS) 的准确性，NIST 的研究人员建造了一个高性能版本的传统压力测量装置，即动态膨胀系统。在该系统中，他们以大约每秒 100 亿到 1000 亿个分子的流速向顶部腔室注入气体。气体从上腔移动到下腔，下腔由一个大型泵以已知的速度通过一个尺寸精确的孔口抽空。一组压力计测量上腔和下腔之间的压力比，以校正不完善之处。利用气体流入率和气体在两个腔室之间的移动速度，研究人员计算出顶部腔室的压力，CAVS 可独立测量顶部腔室的压力。研究人员发现这一已知压力值与 CAVS 传感器的读数一致，从而验证了他们的新方法。
CAVS 不仅能进行与传统压力计一样好的测量，还能可靠地测量未来芯片制造和新一代科学所需的低得多的真空压力（地球海平面大气压力的万亿分之一及以下）。它的运行基于广为人知的量子物理原理，这意味着它“开箱即用”：无需对其他参考压力源或技术进行任何调整或校准，就能获得准确的读数。
NIST 物理学家 Julia Scherschligt 说：“这是一项顶峰成果。我们之前已经取得了许多积极的进展。但这验证了我们的冷原子标准是真正的标准。”除了半导体制造，新方法还可用于其他需要高真空环境的应用，如量子计算机、引力波探测器、粒子加速器等。
CAVS 技术使用一种冷气体来测量真空压力，这种气体由大约十万个被捕获在磁场中的锂或铷原子组成。这些原子在调谐到合适频率的激光照射下会发出荧光。研究人员可以通过测量这种荧光的强度来精确计算捕获原子的数量。
当 CAVS 传感器连接到真空室时，真空室中残留的原子或分子会与捕获原子发生碰撞。每一次碰撞都会将一个原子撞出捕获器，从而减少原子数量和发光强度。这种强度可以通过光传感器轻松测量，是压力的灵敏测量值。量子力学精确地预测了调光速率与分子数量之间的关系。
在这项新工作中，NIST 的研究人员将 CAVS 传感器连接到了气体压力的经典黄金标准参考标准，即动态膨胀系统。
动态膨胀系统的工作原理是将已知量的气体（以每秒分子数计）注入一个真空室，然后以已知的速率从真空室的另一端缓慢排出气体。然后，研究人员计算真空室中产生的压力。
在这项实验中，研究人员建造了一个高性能动态膨胀系统，允许极小的气体流量：每秒 100 亿到 1000 亿个原子或分子，并包括一个定制的流量计来测量如此小的流量。他们建造的用于将原子缓慢移出腔室的孔是按照亚微米精度加工的。
Scherschligt说：“要把这些经典标准装置中的一个竖立起来，所需的工作量是巨大的。经历了这样的努力，我们才真正明白了整个实验的意义，那就是 CAVS 能够以一种简单得多的形式提供高精度。”
NIST 的研究人员在工作中测试了两种 CAVS 传感器。一种是实验室版本；第二种是移动版本，可以方便地用于先进的芯片制造环境。“事实上，便携式版本非常简单，我们最终决定将其自动化，这样我们就很少需要干预其操作。这项研究中便携式 CAVS 的大部分数据都是我们在家中熟睡时采集的。”NIST 物理学家 Dan Barker 说。
“我们测量的气体包括氮气、氦气、氩气甚至氖气，都是惰性半导体工艺气体，但在未来，我们希望测量氢气、二氧化碳、一氧化碳和氧气等反应性更强的气体，这些气体既是真空室中常见的残留气体，也是半导体制造的有用气体。”
这些 CAVS 系统合在一起，有望帮助研究人员在超低压条件下达到科学和技术的新高度。
参考链接：
[1]https://www.nist.gov/news-events/news/2023/08/nist-demonstrates-new-primary-standard-measuring-ultralow-pressures
[2]https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/5/3/035001/2905161/Accurate-measurement-of-the-loss-rate-of-cold
[3]https://phys.org/news/2023-08-team-primary-standard-ultralow-pressures.html