Redefiniendo estándares: el nuevo enfoque del NIST para medir cerca

Por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) 20 de agosto de 2023

Para verificar la precisión de su nuevo enfoque para medir presiones de vacío ultrabajas, los investigadores del NIST construyeron una versión de alto rendimiento de una configuración de metrología de presión tradicional, conocida como sistema de expansión dinámica. En este sistema, inyectaron gas a un caudal de aproximadamente 10 a 100 mil millones de moléculas por segundo en la cámara superior. El gas se movía desde la cámara superior a la cámara inferior, que es evacuada por una bomba grande, a un ritmo conocido a través de un orificio dimensionado con precisión. Un conjunto de medidores midió la relación de presión entre las cámaras superior e inferior para corregir imperfecciones. Utilizando el caudal de gas que entra y la velocidad a la que el gas se mueve entre las dos cámaras, los investigadores calcularon la presión en la cámara superior, que el CAVS mide de forma independiente. Los investigadores encontraron una concordancia entre este valor de presión conocido y las lecturas de los sensores CAVS, validando así su nuevo método. Crédito: NIST

La fabricación de chips, los detectores de ondas gravitacionales y las computadoras cuánticas podrían beneficiarse de mejores formas de medir el vacío.

Una cámara de vacío nunca está completamente vacía. Siempre queda una pequeña cantidad de átomos o moléculas, y medir las pequeñas presiones que ejercen es fundamental. Por ejemplo, los fabricantes de semiconductores crean microchips en cámaras de vacío que deben estar casi completamente libres de contaminantes atómicos y moleculares, por lo que necesitan controlar la presión del gas en la cámara para garantizar que los niveles de contaminantes sean aceptablemente bajos.

Ahora, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han validado un nuevo enfoque para medir presiones de gas extremadamente bajas llamado CAVS, por Cold Atom Vacuum Standard. Han establecido que su técnica puede servir como un "estándar primario"; en otras palabras, puede realizar mediciones intrínsecamente precisas sin necesidad de calibrarla primero para referenciar lecturas de presión.

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"}]">exactitud y confiabilidad.

Los investigadores del NIST Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt y sus colegas desarrollaron y probaron un nuevo método, conocido como estándar de vacío de átomo frío (CAVS), para medir presiones ultrabajas. Crédito: NIST

CAVS no sólo puede realizar mediciones tan buenas como las de los manómetros tradicionales, sino que también puede medir de manera confiable presiones de vacío mucho más bajas (una billonésima parte de la presión atmosférica al nivel del mar de la Tierra o menos) que serán necesarias para la futura fabricación de chips y los próximos años. -ciencia de generación. Y su funcionamiento, basado en principios de física cuántica bien comprendidos, significa que puede realizar lecturas precisas "desde el primer momento", sin necesidad de ningún ajuste o calibración de otras fuentes o técnicas de presión de referencia.

“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"}]">El estándar atómico es verdaderamente un estándar”.

Además de la fabricación de semiconductores, el nuevo método puede resultar útil para otras aplicaciones que requieren entornos de alto vacío, como computadoras cuánticas, detectores de ondas gravitacionales, aceleradores de partículas y muchas más.

El investigador del NIST, Dan Barker, comprueba la configuración del CAVS en el laboratorio. Crédito: NIST

La tecnología CAVS mide las presiones de vacío utilizando un gas frío de unos cien mil átomos de litio o rubidio atrapados en un campo magnético. Estos átomos emiten fluorescencia cuando se iluminan con un láser sintonizado en la frecuencia correcta. Los investigadores pueden contar el número de átomos atrapados con precisión midiendo la intensidad de este brillo.

Cuando el sensor CAVS está conectado a una cámara de vacío, los átomos o moléculas sobrantes en la cámara chocan con los átomos atrapados. Cada colisión expulsa un átomo de la trampa, lo que reduce la cantidad de átomos y la intensidad de la luz emitida. Esa intensidad, fácilmente medida por sensores de luz, sirve como una medida sensible de presión. Esta relación entre la tasa de atenuación y el número de moléculas la predice exactamente la mecánica cuántica.

En el nuevo trabajo, los investigadores del NIST conectaron sus sensores CAVS al estándar de referencia clásico para la presión del gas, conocido como sistema de expansión dinámica.

Los sistemas de expansión dinámica funcionan inyectando una cantidad conocida de gas, medida en moléculas por segundo, en una cámara de vacío y luego retirando lentamente el gas del otro extremo de la cámara a una velocidad conocida. Luego, los investigadores calculan la presión resultante en la cámara.

En este experimento, los investigadores construyeron un sistema de expansión dinámica de alto rendimiento que permitía flujos de gas extremadamente pequeños (en el rango de 10 mil millones a 100 mil millones de átomos o moléculas por segundo) e incluyeron un medidor de flujo hecho a medida para medir flujos tan bajos. . El agujero que construyeron para eliminar lentamente los átomos de la cámara fue mecanizado con precisión submicrométrica.

"El trabajo pesado necesario para levantar uno de estos dispositivos estándar clásicos es monumental", dijo Scherschligt. "Pasar por el esfuerzo de hacer eso realmente me hizo entender el objetivo de todo este experimento, que es que CAVS proporciona alta precisión en una forma mucho más simple".

Los investigadores del NIST probaron dos tipos de sensores CAVS en su trabajo. Una es una versión de laboratorio; la segunda es una versión móvil que se puede utilizar fácilmente en entornos avanzados de fabricación de chips.

“De hecho, la versión portátil es tan simple que finalmente decidimos automatizarla de modo que rara vez tuviéramos que intervenir en su funcionamiento. De hecho, la mayoría de los datos del CAVS portátil para este estudio se tomaron mientras dormíamos cómodamente en casa”, dijo el físico del NIST Dan Barker.

"Los gases que medimos, incluidos el nitrógeno, el helio, el argón e incluso el neón, son todos gases de proceso de semiconductores inertes", dijo el físico del NIST Steve Eckel. "Pero en el futuro, esperamos medir más gases reactivos como hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y oxígeno, que son gases residuales comunes que se encuentran en las cámaras de vacío y gases útiles para la fabricación de semiconductores".

Juntos, estos sistemas CAVS prometen ayudar a los investigadores que trabajan con presiones ultrabajas a alcanzar nuevos máximos tanto en ciencia como en tecnología.

Referencia: "Medición precisa de la tasa de pérdida de átomos fríos debido a colisiones de gases de fondo para el estándar de vacío de átomo frío basado en cuánticos" por Daniel S. Barker, James A. Fedchak, Jacek Kłos, Julia Scherschligt, Abrar A. Sheikh, Eite Tiesinga y Stephen P. Eckel, 1 de agosto de 2023, AVS Quantum Science.DOI: 10.1116/5.0147686