Давление пустоты: создан уникальный портативный вакуумный манометр
Лазерный луч, охлаждающий атомы практически до абсолютного нуля, стал сердцем портативного прибора для измерения сверхнизких давлений. Мобильный вакуумный манометр станет подспорьем для научных исследований и технологий завтрашнего дня.
Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Metrologia группой во главе со Стивеном Экелем (Stephen Eckel) из Национального института стандартов и технологий (НИСТ) США.
Для обывателя вакуум – это пространство, в котором абсолютно ничего нет. Однако на самом деле такого не бывает. Удалить откуда-либо всё вещество до последней молекулы – задача, во-первых, нерешаемая, а во-вторых, бессмысленная.
Таким образом, учёные понимают под вакуумом среду, где концентрация вещества очень невелика. Настолько, что молекула газа имеет все шансы пролететь от одной стенки сосуда до другой, ни разу не встретившись с "коллегой".
И, разумеется, вакуум вакууму рознь. При производстве микрочипов используются камеры, давление в которых в сто миллиардов раз меньше обычного атмосферного. А для некоторых технологических процессов нужно снизить давление ещё в тысячу раз.
Разумеется, то, что нужно контролировать, нужно и измерять. Вакуумные манометры – востребованная продукция на рынке высоких технологий.
Некоторое время назад специалисты НИСТ разработали такой прибор новой конструкции. Он получил название вакуумного стандарта на холодных атомах (CAVS). В нём облако атомов удерживается с помощью магнитного поля и шести лазерных лучей. Такое устройство называется магнито-оптической ловушкой (МОТ).
Лучи лазера "освещают" скопление атомов с шести сторон (на каждой из трёх пространственных осей находится по два излучателя, направленных друг на друга). Атомы в облаке, поглощая лазерное излучение, замедляются. Температура при этом опускается до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля.
Дополнительную устойчивость системе придаёт меняющееся магнитное поле, которое равно нулю в центре ловушки и возрастает к её краям. Атомы в магнитном поле более чувствительны к воздействию лазерного излучения, поэтому любой "беглец", отправившийся к границам отведённой территории, где поле сильнее, тут же получает хороший пинок от фотонов и возвращается на место.
Как же МОТ, стандартное в своей области технологическое решение, помогает измерять давление? Очень просто. Дело в том, что под воздействием лазерного излучения атомы в ловушке испускают свет, то есть флуоресцируют.
Когда атом из облака сталкивается с одной из немногочисленных оставшихся в сосуде молекул, та выбивает его из ловушки. Таким образом, чем больше давление в камере, тем немногочисленнее становится облако. А чем меньше облако пойманных в ловушку атомов, тем слабее флуоресцентное свечение. Измеряя ослабление выделяемого света, можно с высокой точностью установить, насколько быстро атомы выбираются из ловушки, а значит, и каково давление в сосуде.
Такая система имеет множество достоинств, однако она громоздка. Шесть излучателей занимают много места. Следовательно, такой манометр может быть только стационарным. Между тем для многих целей требуются портативные приборы.
"Никто не задумывался о том, как уменьшить такой вакуумный датчик на холодных атомах, и какие неопределённости это повлечёт за собой, – заявляет Эккель. – Мы разрабатываем систему, которая потенциально может заменить [вакуумные] датчики на рынке, а также выясняем, как её эксплуатировать и калибровать".
В новом детище физиков используется только один лазер. Его излучение попадает на дифракционную решётку и расщепляется на несколько лучей под разными углами. Часть из них располагаются ровно так, чтобы удерживать атомы в ловушке.
Ещё одно новшество заключается в использовании атомов лития.
"Никто, насколько нам известно, не думал об однолучевой MOT для лития, – поясняет соавтор работы Дэниэл Баркер (Daniel Barker), также из НИСТ. – Многие люди думают о рубидии и цезии, но лишь единицы о литии. И всё же выясняется, что литий – гораздо лучший измеритель для вакуума".
Дело в том, что атом лития очень прост: в нём всего три протона и три электрона. Проще устроены только водород и гелий. Поэтому поведение атомов лития можно рассчитать непосредственно из фундаментальных законов квантовой механики.
Другими словами, такой манометр не требует калибровки по эталону. Его показания можно напрямую связать с хорошо известными мировыми константами, такими как заряд электрона и постоянная Планка. (Это как нельзя лучше подходит к намерению физического сообщества привязать к таким константам все единицы измерения.)
Кроме того, литий не склонен переходить в газообразное состояние при комнатной температуре. Это значит, что атом, не пойманный в магнито-оптическую ловушку, не будет бродить по камере и мешать всем и каждому, а мирно осядет на её стенках. Другими словами, к остаткам газа в камере не будут примешиваться ещё и пары лития. А вот цезий и рубидий легко и просто организуют подобную проблему.
Пренебрежимо мало количество паров лития и при 150 градусах Цельсия. Обычно вакуумные камеры прогревают до этой температуры, чтобы испарить прилипшие к стенкам капли воды перед откачкой воздуха. То означает, что новый измерительный прибор не нужно будет удалять из вакуумной камеры перед её подготовкой для измерений.
Добавим, что в настоящее время тестируются отдельные компоненты устройства. Ожидается, что в ближайшем будущем будет собран первый рабочий прототип нового прибора.