Redefinindo padrões: a nova abordagem do NIST para medição próxima

Por Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) 20 de agosto de 2023

Para verificar a precisão de sua nova abordagem para medir pressões de vácuo ultrabaixas, os pesquisadores do NIST construíram uma versão de alto desempenho de uma configuração tradicional de metrologia de pressão, conhecida como sistema de expansão dinâmica. Neste sistema, eles injetaram gás a uma taxa de fluxo de aproximadamente 10 a 100 bilhões de moléculas por segundo na câmara superior. O gás movia-se da câmara superior para a câmara inferior, que é evacuada por uma grande bomba, a uma taxa conhecida, através de um orifício dimensionado com precisão. Um conjunto de medidores mediu a relação de pressão entre as câmaras superior e inferior para corrigir imperfeições. Usando a taxa de fluxo do gás e a taxa com que o gás se move entre as duas câmaras, os pesquisadores calcularam a pressão na câmara superior, que o CAVS mede independentemente. Os pesquisadores encontraram concordância entre esse valor de pressão conhecido e as leituras dos sensores CAVS, validando assim seu novo método. Crédito: NIST

A fabricação de chips, detectores de ondas gravitacionais e computadores quânticos poderiam se beneficiar de melhores maneiras de medir o vácuo.

Uma câmara de vácuo nunca está perfeitamente vazia. Sempre permanece um pequeno número de átomos ou moléculas, e medir as pequenas pressões que eles exercem é fundamental. Por exemplo, os fabricantes de semicondutores criam microchips em câmaras de vácuo que devem ser quase totalmente desprovidas de contaminantes atômicos e moleculares, e por isso precisam monitorar a pressão do gás na câmara para garantir que os níveis de contaminantes sejam aceitavelmente baixos.

Agora, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) validaram uma nova abordagem para medir pressões de gás extremamente baixas, chamada CAVS, para Cold Atom Vacuum Standard. Eles estabeleceram que sua técnica pode servir como um “padrão primário” – em outras palavras, pode fazer medições intrinsecamente precisas sem primeiro precisar ser calibrada para leituras de pressão de referência.

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"}]">precisão e confiabilidade.

Os pesquisadores do NIST Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt e seus colegas desenvolveram e testaram um novo método, conhecido como padrão de vácuo de átomo frio (CAVS), para medir pressões ultrabaixas. Crédito: NIST

O CAVS não apenas pode fazer medições tão boas quanto as dos medidores de pressão tradicionais, mas também pode medir com segurança as pressões de vácuo muito mais baixas - um trilionésimo da pressão atmosférica ao nível do mar da Terra e abaixo - que serão necessárias para a futura fabricação de chips e próximos ciência de geração. E sua operação, baseada em princípios bem compreendidos da física quântica, significa que ele pode fazer leituras precisas “pronto para usar”, sem exigir quaisquer ajustes ou calibração para outras fontes ou técnicas de pressão de referência.

“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"}]">o padrão átomo é verdadeiramente um padrão.”

Além da fabricação de semicondutores, o novo método pode ser útil para outras aplicações que requerem ambientes de alto vácuo, como computadores quânticos, detectores de ondas gravitacionais, aceleradores de partículas e muito mais.