Muchos fabricantes de semiconductores y laboratorios de investigación están sometidos a una presión cada vez mayor por el vacío. Estas instalaciones necesitan eliminar mayores cantidades de moléculas de gas y partículas de sus configuraciones a medida que las nuevas tecnologías y procesos exigen presiones cada vez más bajas.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 cien billonésimas de la presión del aire al nivel del mar. Algunas aplicaciones necesitan presionesal menos mil veces más bajo 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 elSistema Internacional de Unidades SI sobre constantes fundamentales 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 Quantum SI, lo que significa que no requiere calibración, depende de constantes fundamentales de la naturaleza, informa la cantidad correcta o ninguna en absoluto, y ha especificado incertidumbres que son adecuadas para su aplicación. El nuevo medidor rastrea los cambios en el número de átomos de litio fríos atrapados por un láser y campos magnéticos dentro del vacío. Los átomos atrapados fluorescen como resultado de la luz láser.
Cada vez que una de las pocas moléculas que se mueve en la cámara de vacío golpea un átomo frío, la colisión saca al átomo de litio de la trampa, disminuyendo la cantidad de luz fluorescente emitida. Una cámara registra la atenuación.la luz se atenúa, mientras más moléculas hay en la cámara de vacío, haciendo que el nivel de fluorescencia sea una medida sensible de la presión
El nuevo sistema portátil es el resultado de un proyecto NIST para crear un estándar de sobremesa de vacío de átomo frío CAVS que se utilizará para realizar mediciones de propiedades atómicas fundamentales. Si bien el CAVS es demasiado grande y no es apto para uso externoel 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 podría reemplazar los sensores ahora en el mercado, así como descubrir cómo operarlo y evaluarlo". Se están probando componentes individuales y se espera un prototipo funcional enel futuro cercano.
El diseño NIST utiliza una variación recientemente desarrollada en una tecnología básica de física atómica: la trampa magnetoóptica MOT. En una MOT típica, hay seis rayos láser, dos rayos opuestos en cada uno de los tres ejes. Átomos colocadosen 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 elcentrado 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 de NIST usa solo un rayo láser dirigido a un componente óptico conocido como rejilla de difracción, que divide la luz en múltiples rayos provenientes de varios ángulos ". La colocación de rayos láser desde seis direcciones diferentes hace que el experimento sea realmente grande y necesitamucha óptica ", dijo Daniel Barker, otro científico del proyecto NIST." Ahora solo necesita un rayo láser que entre y golpee una rejilla de difracción. Cuando la luz se difracta, obtiene los otros rayos que necesita para cerrar el MOT yhacer la trampa "
En ese punto, los átomos están a solo unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto. Son golpeados por moléculas ambientales, principalmente hidrógeno, el gas dominante que queda después de que las cámaras de vacío se hornean y luego se bombean a ultra alto UHV o vacío 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 sobre la Luna.
El uso de litio es otra innovación científica en el diseño NIST. El litio es el tercer elemento más ligero y pertenece al grupo de metales alcalinos, incluidos sodio, potasio, rubidio y cesio, que son relativamente fáciles de enfriar y atrapar"Hasta donde sabemos, nadie ha estado pensando en un MOT de un solo haz para el litio", dijo Barker. "Mucha gente piensa en el rubidio y el cesio, pero no muchos en el litio. Sin embargo, resulta que el litio es un sensor mucho mejor".para vacío "
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 medidor primario que no necesita calibrar", dijo Eckel. "Además, el litio tieneuna 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 yquédese 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 de litio también permanece baja a 150 grados Celsius, donde las personas generalmente hornean cámaras de UHV y XHV para eliminar los recubrimientos de agua en los componentes de acero inoxidable. En ese sentido, aún puede preparar la cámara de vacío a través de técnicas estándar,incluso con este medidor conectado "
Los entornos UHV y XHV "son una parte crítica de la infraestructura en la fabricación e investigación avanzadas, desde detectores de ondas gravitacionales hasta ciencia de la información cuántica", dijo James Fedchak, que supervisa el proyecto. "CAVS será el primer sensor absoluto creado queopera en este régimen de presión. En la actualidad, los ingenieros y científicos a menudo usan el experimento o el proceso 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 los niveles más bajos de vacío, niveles que se vuelven cada vez másimportante en áreas como la ciencia cuántica de la información "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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