Ridefinire gli standard: il nuovo approccio del NIST alla misurazione da vicino

A cura del National Institute of Standards and Technology (NIST), 20 agosto 2023

Per verificare l’accuratezza del loro nuovo approccio per la misurazione di pressioni di vuoto ultra-basse, i ricercatori del NIST hanno costruito una versione ad alte prestazioni di un tradizionale sistema di metrologia della pressione, noto come sistema di espansione dinamica. In questo sistema, hanno iniettato gas ad una portata di circa 10-100 miliardi di molecole al secondo nella camera superiore. Il gas si sposta dalla camera superiore a quella inferiore, che viene evacuata da una grande pompa, ad una velocità nota attraverso un orifizio dimensionato con precisione. Una serie di manometri misurava il rapporto di pressione tra le camere superiore e inferiore per correggere le imperfezioni. Utilizzando la portata del gas all'interno e la velocità con cui il gas si muove tra le due camere, i ricercatori hanno calcolato la pressione nella camera superiore, che il CAVS misura in modo indipendente. I ricercatori hanno trovato un accordo tra questo valore di pressione noto e le letture dei sensori CAVS, convalidando così il loro nuovo metodo. Credito: NIST

La produzione di chip, i rilevatori di onde gravitazionali e i computer quantistici potrebbero trarre vantaggio da modi migliori per misurare il vuoto.

Una camera a vuoto non è mai perfettamente vuota. Rimane sempre un piccolo numero di atomi o molecole e misurare le minuscole pressioni che esercitano è fondamentale. Ad esempio, i produttori di semiconduttori creano microchip in camere a vuoto che devono essere quasi completamente prive di contaminanti atomici e molecolari, e quindi devono monitorare la pressione del gas nella camera per garantire che i livelli di contaminanti siano accettabilmente bassi.

Ora, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno convalidato un nuovo approccio per misurare pressioni di gas estremamente basse chiamato CAVS, per Cold Atom Vacuum Standard. Hanno stabilito che la loro tecnica può fungere da “standard primario” – in altre parole, può effettuare misurazioni intrinsecamente accurate senza dover prima essere calibrata per fare riferimento alle letture della pressione.

Having developed CAVS over the last seven years, NIST researchers recently put their technique through its most rigorous tests to date. Their new study, published in the journal AVS Quantum Science, shows that CAVS results agreed with the traditional “gold standard” method for measuring low pressures, demonstrating that this new technique can make measurements with the same degree of accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">precisione e affidabilità.

I ricercatori del NIST Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt e i loro colleghi hanno sviluppato e testato un nuovo metodo, noto come standard del vuoto atomico freddo (CAVS), per misurare pressioni ultrabasse. Credito: NIST

CAVS non solo può effettuare misurazioni efficaci quanto quelle dei manometri tradizionali, ma può anche misurare in modo affidabile pressioni di vuoto molto più basse (un trilionesimo della pressione atmosferica a livello del mare terrestre e inferiore) che saranno necessarie per la futura produzione di chip e per i prossimi anni. scienza di ultima generazione. E il suo funzionamento, basato su principi di fisica quantistica ben compresi, significa che può effettuare letture accurate “subito fuori dalla scatola”, senza richiedere alcuna regolazione o calibrazione su altre fonti o tecniche di pressione di riferimento.

“This is the culminating result,” said NIST physicist Julia Scherschligt. “We have had numerous positive developments before. But this validates the fact that our cold atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">lo standard atomico è veramente uno standard”.

Oltre alla produzione di semiconduttori, il nuovo metodo può essere utile per altre applicazioni che richiedono ambienti ad alto vuoto, come computer quantistici, rilevatori di onde gravitazionali, acceleratori di particelle e molto altro.