Muchos fabricantes de semiconductores y laboratorios de investigación están bajo una presión cada vez mayor de, de todas las cosas, aspiradora. Estas instalaciones necesitan eliminar mayores cantidades de moléculas y partículas de gas de sus configuraciones a medida que las nuevas tecnologías y procesos exigen presiones cada vez más bajas. Por ejemplo, las cámaras de vacío en las que los fabricantes de microchips colocan una serie de capas ultrafinas de productos químicos paso a paso, un proceso que debe estar completamente libre de contaminantes, operan a aproximadamente una cien mil millonésima parte de la presión del aire al nivel del mar. Algunas aplicaciones necesitan presiones al menos mil veces más bajas que eso, acercándose a los entornos aún más enrarecidos de la Luna y el espacio exterior.

Medir y controlar el vacío en esos niveles es un negocio exigente en el que la precisión es esencial. La tecnología actual generalmente se basa en un dispositivo llamado medidor de iones. Sin embargo, Los medidores de iones requieren una recalibración periódica y no son compatibles con el nuevo esfuerzo mundial para basar el Sistema Internacional de Unidades (SI) en fundamentales, constantes invariantes y fenómenos cuánticos.

Ahora, los científicos del NIST han diseñado un medidor de vacío que es lo suficientemente pequeño como para desplegarlo en cámaras de vacío de uso común. También cumple con los criterios de Quantum SI, lo que significa que no requiere calibración, depende de las constantes fundamentales de la naturaleza, informa la cantidad correcta o ninguna, y tiene incertidumbres especificadas que son adecuadas para su aplicación. El nuevo medidor rastrea los cambios en la cantidad de átomos de litio fríos atrapados por un láser y campos magnéticos dentro del vacío. Los átomos atrapados emiten fluorescencia como resultado de la luz láser.

Cada vez que un átomo frío es golpeado por una de las pocas moléculas que se mueven en la cámara de vacío, la colisión saca al átomo de litio de la trampa, disminuyendo la cantidad de luz fluorescente emitida. Una cámara registra la atenuación. Cuanto más rápido se atenúa la luz, cuantas más moléculas haya en la cámara de vacío, haciendo que el nivel de fluorescencia sea una medida sensible de presión.

El nuevo sistema portátil es el resultado de un proyecto del NIST para crear un estándar de vacío de átomo frío de sobremesa (CAVS) que se utilizará para realizar mediciones de propiedades atómicas fundamentales. Si bien CAVS es demasiado grande para, e inadecuado para, uso fuera del laboratorio, la versión portátil, o p-CAVS, está diseñado para ser un sustituto "directo" de los medidores de vacío existentes.

"Nadie ha pensado en cómo miniaturizar un medidor de vacío de átomo frío y qué tipo de incertidumbres implicaría, "dijo Stephen Eckel, uno de los científicos del proyecto que en septiembre describió su diseño en la revista Metrologia . "Estamos en el proceso de desarrollar un sistema de este tipo que potencialmente podría reemplazar los sensores ahora en el mercado, además de averiguar cómo utilizarlo y evaluarlo ". Se están probando componentes individuales, y se espera un prototipo funcional en un futuro próximo.

El diseño del NIST utiliza una variación desarrollada recientemente en una tecnología básica de la física atómica:la trampa magnetoóptica (MOT). En una ITV típica, hay seis rayos láser:dos rayos opuestos en cada uno de los tres ejes. Los átomos colocados en la trampa se ralentizan cuando absorben el impulso de los fotones láser de exactamente la cantidad correcta de energía, amortiguando el movimiento de los átomos. Para confinarlos en la ubicación deseada, el MOT contiene un campo magnético variable, cuya fuerza es cero en el centro y aumenta con la distancia hacia afuera. Los átomos en áreas de campo más alto son más susceptibles a los fotones láser y, por lo tanto, son empujados hacia adentro.

El medidor portátil del NIST utiliza un solo rayo láser dirigido a un componente óptico conocido como rejilla de difracción. que divide la luz en múltiples haces provenientes de varios ángulos. "Poner rayos láser desde seis direcciones diferentes hace que el experimento sea realmente grande y necesita mucha óptica, "dijo Daniel Barker, otro científico del proyecto NIST. "Ahora solo necesitas un rayo láser que entre y golpee una rejilla de difracción. Cuando la luz se difracta, obtienes los otros rayos que necesitas para cerrar el MOT y hacer la trampa".

En ese punto, los átomos están sólo unas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Son golpeados por moléculas ambientales, principalmente hidrógeno, el gas dominante que permanece después de que las cámaras de vacío se hornean y luego se bombean a vacío ultra alto (UHV) o extremadamente alto (XHV). La gama UHV incluye el nivel de vacío alrededor de la Estación Espacial Internacional; XHV incluye los niveles de presión aún más bajos por encima de la Luna.

El uso de litio es otra innovación científica en el diseño de NIST. El litio es el tercer elemento más ligero y pertenece al grupo de los metales alcalinos, incluido el sodio, potasio, rubidio y cesio, que son relativamente fáciles de enfriar y atrapar. "Nadie que sepamos ha estado pensando en una MOT de un solo haz para litio, ", Dijo Barker." Mucha gente piensa en rubidio y cesio, pero no demasiados sobre el litio. Sin embargo, resulta que el litio es un sensor de vacío mucho mejor ".

Entre las ventajas:La dinámica de interacción entre los átomos de litio y las moléculas de hidrógeno se puede calcular exactamente a partir de los primeros principios. "Eso nos permite hacer un indicador principal que no es necesario calibrar, "Dijo Eckel." Además, el litio tiene una presión de vapor extraordinariamente baja a temperatura ambiente (lo que significa que tiene una baja tendencia a cambiar a un estado gaseoso). Entonces, típicamente, el átomo hará un solo paso a través de la región MOT y, si no está atrapado, chocará contra una pared y permanecerá allí para siempre. Con rubidio o cesio, que tienen presiones de vapor relativamente altas a temperatura ambiente, eventualmente cubrirá las paredes de la cámara de vacío con suficiente rubidio o cesio metálico para que los recubrimientos comiencen a emitir átomos.

"Además, La presión de vapor del litio también permanece baja a 150 grados Celsius, donde la gente generalmente hornea cámaras UHV y XHV para eliminar las capas de agua en los componentes de acero inoxidable. En ese sentido, todavía puede preparar la cámara de vacío mediante técnicas estándar, incluso con este medidor adjunto ".

Los entornos UHV y XHV "son una parte fundamental de la infraestructura en la fabricación e investigación avanzadas, desde detectores de ondas gravitacionales hasta ciencia de la información cuántica, "dijo James Fedchak, quien supervisa el proyecto. "CAVS será el primer sensor absoluto creado que opere en este régimen de presión. En la actualidad, Los ingenieros y científicos a menudo utilizan el experimento o el proceso en sí para determinar el nivel de vacío, que a menudo es una prueba destructiva ".

"p-CAVS permitirá a los investigadores y fabricantes determinar con precisión el nivel de vacío antes de que comience el experimento o proceso, ", dijo Fedchak." También permitirá medir con precisión niveles más bajos de vacío, niveles que se están volviendo cada vez más importantes en áreas como la ciencia de la información cuántica ".