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由美国国家标准与技术研究院 （National Institute of Standards and Technology，下文简称 NIST） 的研究人员发明了一种新型量子真空测量系统。该系统已通过首次测试，成为无需校准自身具有准确性的理想标准器。 精密压力测量受到半导体制造商的迫切关注，他们在真空室中逐层制造芯片，真空室的工作真空度为大气压力的千亿分之一或更低，并且必须严格控制该真空环境以确保产品质量。 NIST 高级项目科学家 Stephen Eckel 表示：“下一代半导体制造、量子技术和粒子加速型实验都将需要精确的真空度和真空测量能力”。
▲ NIST 科学家 Stephen Eckel 将 pCAVS 单元（中间左侧的银色立方体）连接到真空室（右侧的圆柱体）。图片来源：C. Suplee/NIST 如今，大多数商业和研究机构都使用传统的高真空传感器，这种真空计通过电离腔室中的气体分子收集离子流大小来测量气体压强。但是电离真空计时间久了可能会变得不准确，需要定期重新校准。 相比之下，NIST 发明的测量系统通过测量气体分子（通常是氢气）对冷却到接近绝对零度并被激光照射的锂原子微观簇的影响，来测量真空室中剩余的气体分子（通常是氢气）的数量。 这种新的便携式真空系统是 NIST 创建台式冷原子真空标准（CAVS）的项目成果，此标准将用于测量基本原子特性。CAVS 太大了，并且不适合在实验室外使用，不过，它的便携式版本，也就是便携式冷原子真空标准（pCAVS），被设计为替代现有真空计的“即插即用”型装置。
▲ NIST 真空传感器设计示意图 pCAVS 体积为1.3升，不包括激光系统，这种真空计尺寸很小，足以部署在常用的真空室中。；在最近的一系列实验中，当科学家将两个 pCAVS 装置连接到同一个腔室时，两者在非常微小的差别内产生完全相同的测量结果。 该设备能够测量的最低真空度为2.5×10-11Pa，误差在2.6% 以内。这与国际空间站周围的真空度大致相同。Eckel说：“便携式冷原子真空标准已经通过了它的首次重大测试”，并于2022年7月15日在《AVS Quantum Science》杂志上发表了此项研究成果。 它也符合国际SI量子标准，这意味着它不需要校准，依赖于自然界的基本常数，可以报告正确的量值甚至零值，并且给定的不确定度适合其应用场景。这种新的测量仪可跟踪记录被真空中激光和磁场捕获的冷锂原子数量的变化。被捕获的原子由于激光而发出荧光。 以下视频来源于 Ruibo简讯  ▲ pCAVS 技术早期原型动画 每当一个冷原子被在真空室内移动的少数分子之一撞击时（主要为氢分子，这是烘烤真空腔室并将其抽至超高真空（UHV）或极高真空（XHV）后留在其中的主要气体），这种碰撞就会将锂原子击出陷阱，从而减少了发出的荧光量。用照相机记录这个变暗的过程。光线变暗的速度越快，就说明真空室内的分子越多，因此，荧光水平成为压力的灵敏量度。 在 pCAVS 传感器核心中，汽化的超冷锂原子从源头分配，然后固定在 NIST 设计和制造的芯片级磁光阱（MOT）中。进入陷阱的原子在四束激光束的交汇处被减慢，其中一束为输入激光束，另外三束为专门设计的光栅芯片反射激光束。激光光子被精确地调整到正确能级以抑制原子的运动。 为了将它们限制在所需的位置，MOT使用由六个永磁体组成的周围阵列产生球形磁场。中心的场强为零，并随着距离向外增加。高场区域的原子更容易受到激光光子的影响，因此被向内推。
▲ pCAVS 磁芯剖面图 1.将锂原子引导到中心的磁光阱（MOT）中；2.MOT区，红点是被捕获原子簇；3.永磁体在陷阱区域周围的位置如图所示；4.用于将 pCAVS 连接到真空室的通道。图片来源：NIST 锂原子装入 MOT 后，激光器关闭，一小部分原子（约10000个）被磁场捕获。等待一段时间后，激光重新打开。激光使原子发出荧光，通过相机测量它们产生的光量并进行计数，光越多，陷阱中的原子越多，反之亦然。 每当被捕获的锂原子被真空中移动的少数分子撞击时，碰撞就会将原子踢出磁阱。原子从陷阱中射出的速度越快，真空室中的气体分子就越多。 锂的使用是 NIST 设计中的另一项科学创新。锂是第三轻的元素，属于碱金属（包括钠、钾、铷和铯），它们相对容易冷却和捕获。其优点包括：锂原子与氢分子之间的相互作用动力学可以根据第一原理精确计算。Eckel 说：“所以，我们可以制作不需要校准的原级量具”。而且，锂在室温下的蒸汽压非常低（这意味着它几乎不会变成气态）。因此，通常情况下，原子只会单次穿过MOT区域，也就是说，如果不被捕获，它将撞击腔室壁并永远留在那里。如果使用铷或铯，它们在室温下具有较高蒸汽压，最后，当真空腔室壁上覆盖的铷金属或铯金属达到足够量后就会开始辐射原子。 “此外，锂的蒸汽压在150摄氏度的条件下依然很低，而人们通常就是在这个温度条件下烘烤超高真空（UHV）和极高真空（XHV）腔室，以去除不锈钢部件上的水涂层。从这点来讲，即使在真空腔室内安装了这种真空计，也仍然可以通过标准的方法来准备真空室”。 冷原子真空计花费的成本主要是冷却和检测原子所需的激光器数量。为了缓解这个问题，两个 pCAVS 单元通过光纤开关接收来自同一激光器的光，并交替进行测量。该方案允许多达四个单元连接到同一个激光源。对于加速器设施或半导体生产线上的应用，这种 pCAVS 传感器的多路复用可以降低成本。 该理论的最终测试是建造一个特殊的真空室，在其中可以产生已知的真空度，并连接 pCAVS 来测量该真空度。如果 pCAVS 与真空度一致，则证明该理论是正确的。
▲ NIST科学家 Daniel Barke 拿着 pCAVS 装置。磁光阱位于端口内部。图片来源：C. Suplee/NIST James Fedchak 说，超高真空（UHV）和极高真空（XHV）环境“是从重力波探测器到量子信息科学等各类先进制造和研究所依赖的关键基础设施。冷原子真空标准（CAVS）将是第一个在此压力条件下运行的绝对压力传感器。”。 Fedchak 说：“便携式冷原子真空标准（pCAVS）将使研究人员和制造商能够在实验或过程开始之前就得到真空度的准确值。而且还可以准确测量更低水平的真空度，这对于诸如量子信息科学等领域而言将变得越来越重要”。 原文链接：https://www./news-events/news/2022/07/primary-standard-measuring-vacuum |
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