Новая оптика и фотоника

Стюарт Уиллс

Герои вакуума NIST Дэн Баркер, Стив Экель, Джим Федчак, Джулия Шершлигт и их коллеги проверили метод с использованием атомов, охлажденных лазером, и магнитных ловушек для измерения сверхнизких давлений. [Изображение: НИСТ]

Что общего между производством полупроводниковых чипов, огромными гравитационно-волновыми обсерваториями, такими как LIGO, и некоторыми разновидностями квантовых компьютеров? Во-первых, работа всех трех основана на непростой задаче достижения, поддержания и измерения вакуума от высокого до сверхвысокого. Группа американских ученых теперь заявляет, что она подтвердила подход к вакуумной метрологии, который может существенно облегчить задачу.

В течение последних семи лет исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разрабатывали вакуумные датчики следующего поколения на квантовой основе. Эти датчики, получившие аббревиатуру CAVS (вакуумный стандарт холодных атомов), основаны на облаках атомов, охлажденных лазером и магнитно захваченных, и немного магии флуоресценции для надежного измерения вакуума вплоть до области 10–8 Па – менее чем триллионная часть атмосферного давления на уровне моря.

В недавно опубликованной работе команда сообщила о значительном шаге по проверке своих квантовых CAVS на соответствие классическому золотому стандарту вакуумной метрологии, известному как динамическое расширение (AVS Quant. Sci., doi: 10.1116/5.0147686). После этой проверки исследователи полагают, что подход CAVS, который, по их словам, существенно проще в настройке и использовании, чем системы динамического расширения, может обеспечить более простую и понятную калибровку традиционных систем измерения вакуума. А портативная версия, получившая название p-CAVS, может даже заменить некоторые типы вакуумметров в полевых условиях.

Подход к вакуумной метрологии с использованием холодных атомов переворачивает с ног на голову давнюю головную боль, связанную с проблемой ловушек атомов.

В ловушке магнитных атомов нейтральные атомы, обладающие магнитным моментом, такие как атомы щелочных металлов лития и рубидия, сначала охлаждаются до уровня субмилликельвина, обычно за счет давления излучения лазера. Затем облако холодных атомов подвергается воздействию высокого градиента магнитного поля, который захватывает медленные, охлажденные нейтральные атомы в локальные минимумы энергии внутри магнитного поля.

Подход к вакуумной метрологии с использованием холодных атомов переворачивает с ног на голову давнюю головную боль, связанную с проблемой ловушек атомов.

Хотя сама лабораторная магнитная ловушка должна работать в сверхвысоком вакууме, идеальный вакуум не существует; внутри вакуумной камеры всегда имеется несколько атомов или молекул фонового газа. Эти молекулы газа в конечном итоге столкнутся с атомами, запертыми в магнитной ловушке, и вытолкнут их из ловушки. Это означает, что холодные атомы могут удерживаться в неглубокой магнитной ловушке лишь ограниченное время, и это ограничение необходимо учитывать в экспериментах.

Однако за последнее десятилетие или около того исследователи все чаще осознавали, что это неотъемлемое ограничение захвата холодных атомов может быть использовано в другом приложении — измерении чрезвычайно редкого вакуума. В частности, если можно измерить скорость, с которой атомы в ловушке отскакивают от атомов или молекул фонового газа, то можно будет определить плотность молекул газа n в камере. В этот момент простое применение закона идеального газа p = nkT (где p — давление, T — температура, а k — постоянная Больцмана) позволяет вычислить давление в вакуумной камере.

Команда NIST воплотила эту идею в двух вариантах датчиков CAVS. Одна из них — установка лабораторного масштаба (l-CAVS) — использует в качестве сенсора атомы рубидия; другой, портативный CAVS (p-CAVS), использует атомы лития.

Видео NIST иллюстрирует основные процессы работы в системе CAVS. [Изображение: NIST] [Посмотреть видео]

Устройство CAVS сначала прикрепляется к вакуумной камере, подлежащей измерению, и остается в равновесии давления с камерой, пока из нее откачивается воздух. Когда камера достигает полного вакуума, несколько сотен тысяч атомов Rb или Li охлаждаются лазером и захватываются в магнитооптическую ловушку (МОЛ). В процессе охлаждения и улавливания газ атомов щелочного металла флуоресцирует, а сигнал флуоресценции фиксируется CMOS-камерой.