Një standard primar për matjen e vakumit

Një sistem matës vakumi i ri, i bazuar në kuantik, i shpikur nga studiuesit në Institutin Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë (NIST) ka kaluar testin e tij të parë për të qenë një standard i vërtetë primar – domethënë, thelbësisht i saktë pa pasur nevojë për kalibrim.

Matja precize e presionit është me interes urgjent për fabrikuesit e gjysmëpërçuesve të cilët i bëjnë çipat e tyre shtresë pas shtrese në dhomat e vakumit që veprojnë në ose nën njëqind miliarda e presionit të ajrit në nivelin e detit dhe duhet ta kontrollojnë me rigorozitet atë mjedis për të siguruar cilësinë e produktit.

“Gjeneratat e ardhshme të prodhimit të gjysmëpërçuesve, teknologjive kuantike dhe eksperimenteve të tipit të përshpejtimit të grimcave do të kërkojnë të gjitha vakum të hollë dhe aftësi për ta matur atë me saktësi,” tha shkencëtari i lartë i projektit NIST, Stephen Eckel.

Sot, shumica e objekteve komerciale dhe kërkimore përdorin sensorë konvencionalë me vakum të lartë bazuar në rrymën elektrike të zbuluar kur molekulat e rralluara të gazit në një dhomë jonizohen (ngarkuar elektrikisht) nga një burim elektroni. Këta matës jonizimi mund të bëhen jo të besueshëm me kalimin e kohës dhe kërkojnë rikalibrim periodik. Dhe ato nuk janë në përputhje me përpjekjet e reja mbarëbotërore për të bazuar Sistemin Ndërkombëtar të Njësive (SI) në konstante themelore, të pandryshueshme dhe fenomene kuantike.

Sistemi i NIST, në të kundërt, mat sasinë e molekulave të gazit (zakonisht hidrogjenit) që mbeten në dhomën e vakumit duke matur efektin e tyre në një grup mikroskopik të atomeve të bllokuara të litiumit të ftohur deri në disa të mijtat e një shkalle mbi zero absolute dhe të ndriçuar nga drita lazer. Nuk ka nevojë për kalibrim sepse dinamika e ndërveprimit midis atomeve të litiumit dhe molekulave të hidrogjenit mund të llogaritet saktësisht nga parimet e para.

Ky standard i lëvizshëm i vakumit me atom të ftohtë (pCAVS) – 1,3 litra në vëllim, duke përjashtuar sistemin lazer – mund të lidhet lehtësisht në dhomat e vakumit komercial; një kanal i ngushtë lidh brendësinë e dhomës me bërthamën pCAVS. Në një seri eksperimentesh të kohëve të fundit, kur shkencëtarët lidhën dy njësi pCAVS në të njëjtën dhomë, të dyja prodhuan saktësisht të njëjtat matje brenda pasigurive të tyre shumë të vogla.

Njësitë ishin në gjendje të masin me saktësi presionet deri në 40 miliardat e paskalit (Pa), njësia SI e presionit, brenda 2.6 përqind. Kjo është pothuajse e njëjtë me presionin që rrethon Stacionin Ndërkombëtar të Hapësirës. Presioni atmosferik në nivelin e detit është rreth 100,000 Pa.

“Standardi portativ i vakumit të atomit të ftohtë ka kaluar testin e tij të parë të madh,” tha Eckel. “Nëse ndërtoni dy standarde me sa duket parësore të çfarëdo lloji, hapi i parë është të siguroheni që ata pajtohen me njëri-tjetrin kur matin të njëjtën gjë. Nëse ata nuk pajtohen, ato nuk janë qartësisht standarde.” Eckel dhe kolegët raportuan rezultatet e tyre në internet më 15 korrik në revistën AVS Quantum Science.

Në bërthamën e sensorit pCAVS (shih figurën), atomet e litiumit të avulluar ultra të ftohtë shpërndahen nga një burim dhe më pas imobilizohen në një kurth magneto-optik në shkallë çipi (MOT) i projektuar dhe fabrikuar në NIST. Atomet që hyjnë në kurth ngadalësohen në kryqëzimin e katër rrezeve lazer: një rreze lazer hyrëse dhe tre të tjera të reflektuara nga një çip grirës i projektuar posaçërisht. Fotonet lazer janë akorduar saktësisht në nivelin e duhur të energjisë për të zbutur lëvizjen e atomeve.

Për t’i kufizuar ato në vendndodhjen e dëshiruar, MOT përdor një fushë magnetike sferike të prodhuar nga një grup rrethues prej gjashtë magnetësh të përhershëm neodymium. Fuqia e fushës është zero në qendër dhe rritet me distancën nga jashtë. Atomet në zonat me fushë më të lartë janë më të ndjeshëm ndaj fotoneve lazer dhe kështu shtyhen nga brenda.

Pasi atomet e litiumit të ngarkohen në MOT, lazerët fiken dhe një pjesë e vogël e atomeve – rreth 10,000 – bllokohen vetëm nga fusha magnetike. Pas pritjes për disa kohë, lazeri ndizet përsëri. Drita lazer shkakton fluoreshencën e atomeve dhe ato numërohen duke përdorur një aparat fotografik që mat sasinë e dritës që prodhojnë: sa më shumë dritë, aq më shumë atome në kurth dhe anasjelltas.

Sa herë që një atom litiumi i bllokuar goditet nga një nga molekulat e pakta që lëvizin në vakum, përplasja e nxjerr atomin nga kurthi magnetik. Sa më e shpejtë të jetë shpejtësia e nxjerrjes së atomeve nga kurthi, aq më shumë molekula janë në dhomën e vakumit.

Një nga nxitësit më të mëdhenj të kostos së një matësi të vakumit të atomit të ftohtë është numri i lazerëve të nevojshëm për të ftohur dhe zbuluar atomet. Për të lehtësuar këtë problem, të dyja njësitë pCAVS marrin dritë nga i njëjti lazer përmes një ndërprerësi me fibër optike dhe ato marrin matje në mënyrë alternative. Skema lejon që deri në katër njësi të lidhen me të njëjtin burim lazer. Për aplikacionet ku kërkohen sensorë të shumtë, si ato në objektet e përshpejtuesit ose linjat e prodhimit të gjysmëpërçuesve, një shumëfishim i tillë i sensorëve pCAVS mund të ulë koston për njësi.

Për eksperimentin aktual, retë e atomit të bllokuar në dy pCAVS u ndanë me 20 cm (rreth 8 inç) në vijën e drejtpërdrejtë të shikimit me njëra-tjetrën. Si rezultat, presionet në dy retë atomike supozoheshin të ishin identike. Por kur ekipi i përdori për herë të parë ato për të matur presionin e vakumit, dy matësat treguan shkallë jashtëzakonisht të ndryshme të humbjes së atomit.

“Zemra ime u fundos,” tha Eckel. “Këto supozohen të jenë standarde vakumi dhe kur i ndezëm, ata nuk mund të bien dakord për presionin e dhomës së vakumit.” Për t’u përpjekur për të përcaktuar burimin e mospërputhjes, ekipi ndërroi komponentët midis dy njësive gjatë eksperimenteve të shumta. Ndërsa këmbyen komponentët, të dy pCAVS-të vazhduan të mos pajtoheshin – çuditërisht, me të njëjtën sasi. “Më në fund, sapo na ra në mendje: Ndoshta ata janë në të vërtetë nën presione të ndryshme,” tha Daniel Barker, një nga shkencëtarët e projektit.

E vetmja gjë që mund të ketë bërë që ato të jenë në presione të ndryshme është një rrjedhje, një vrimë e vogël që mund të lejojë gazin atmosferik në vakum. Duhet të ishte shumë i vogël: Ekipi kishte kontrolluar tërësisht për rrjedhje të tilla përpara se të ndizte pCAVS-të. Ekipi mori detektorin më të ndjeshëm të rrjedhjeve që mund të gjenin për të bërë një kërkim përfundimtar dhe zbuloi se kishte vërtet një rrjedhje të vogël vrimash në një nga dritaret e xhamit të pCAVS. Pasi u riparua rrjedhja, dy pCAVS ranë dakord për matjet e tyre.

Kërkimi i mospërputhjeve në leximet midis matësve të shumëfishtë të vakumit është një metodë e zbulimit të rrjedhjeve që përdoret shpesh në eksperimente të mëdha shkencore duke përfshirë përshpejtuesit e grimcave dhe detektorët e valëve të gravitetit si LIGO.

Megjithatë, kufizimi kryesor në këtë teknikë është se kalibrimi i shumicës së matësve të vakumit mund të ndryshojë me kalimin e kohës. Për këtë arsye, shpesh është e vështirë të dallosh një rrjedhje të vërtetë nga thjesht një zhvendosje në kalibrim. Por për shkak se pCAVS është matësi parësor, nuk ka kalibrim dhe rrjedhimisht asnjë zhvendosje kalibrimi. Përdorimi i tre ose më shumë pCAVS mund të ndihmojë gjeneratën e ardhshme të përshpejtuesve dhe detektorëve të valëve të gravitetit të trekëndëshojnë rrjedhjet në sistemet e tyre të mëdha të vakumit me saktësi më të madhe.

Hapat e ardhshëm në zhvillimin e pCAVS janë vërtetimi i bazës së tij teorike. Për të përkthyer shkallën e humbjes së atomeve të ftohta nga kurthi magnetik në një presion, kërkohen llogaritjet e shpërndarjes kuantike. “Këto llogaritje janë mjaft të komplikuara,” thotë Eite Tiesinga, e cila drejton përpjekjet teorike, “por ne besojmë se llogaritjet e tyre janë të mira deri në disa përqind”.

Testi përfundimtar për teorinë është ndërtimi i një dhome të veçantë vakum ku mund të gjenerohet një presion i njohur – i quajtur standard i zgjerimit dinamik – dhe bashkëngjitni një pCAVS për të matur atë presion. Nëse pCAVS dhe standardi i zgjerimit dinamik bien dakord për presionin, kjo është dëshmi se teoria është e saktë. “Ky hap tjetër në proces tashmë është duke u zhvilluar dhe ne presim të dimë nëse teoria është e mirë shumë shpejt,” tha Eckel.