由美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员发明的一种基于量子的新型真空计系统已经通过了第一次测试，成为真正的初级标准，即本质上准确，无需校准。

半导体制造商迫切需要精密压力测量，他们在真空室中逐层生产芯片，在海平面或低于千亿分之一空气压力的真空室中工作，并且必须严格控制该环境以确保产品质量。

“下一代半导体制造，量子技术和粒子加速型实验都需要精致的真空和准确测量它的能力，”NIST高级项目科学家StephenEckel说。

今天，大多数商业和研究设施使用传统的高真空传感器，该传感器基于当腔室中的稀薄气体分子被电子源电离（带电）时检测到的电流。随着时间的推移，这些电离仪可能会变得不可靠，需要定期重新校准。它们与将国际单位制（SI）建立在基本不变常数和量子现象基础上的新的全球努力不相容。

相比之下，NIST的系统通过测量它们对被捕获的锂原子的微观簇的影响来测量真空室中剩余的气体分子（通常是氢）的数量，这些锂原子冷却到绝对零度以上几千分之一度并被激光照亮。它不需要校准，因为锂原子和氢分子之间的相互作用动力学可以从第一原理精确地计算出来。

这种便携式冷原子真空标准品（pCAVS）-体积为1.3升（不包括激光系统），可以很容易地连接到商业真空室;一个狭窄的通道将腔室内部连接到pCAVS核心。在最近的一系列实验中，当科学家将两个pCAVS单元连接到同一个腔室时，两者都在其非常小的不确定性内产生了完全相同的测量结果。

这些单位能够精确测量低至400亿分之一帕斯卡（Pa）的压力，SI压力单位，在2.6%以内。这与围绕国际空间站的压力大致相同。海平面的大气压力约为100，000Pa。

“便携式冷原子真空标准已经通过了第一次大型测试，”Eckel说。“如果你建立了两个大概是任何形式的主要标准，第一步就是确保他们在衡量同样的事情时彼此一致。如果他们不同意，他们显然不是标准。Eckel及其同事于7月15日在AVSQuantumScience杂志上在线报告了他们的结果。

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点处减慢速度：一束输入激光束和另外三束从专门设计的光栅芯片反射的激光束。激光光子被调谐到完全正确的能级，以抑制原子的运动。

为了将它们限制在所需位置，MOT使用由周围六个永久钕磁铁阵列产生的球形磁场。场强在中心为零，并随着向外的距离而增加。高场区域的原子更容易受到激光光子的影响，因此被推向内部。

在锂原子加载到MOT中后，激光被关闭，一小部分原子（约10，000个）仅被磁场捕获。等待一段时间后，激光器重新打开。激光使原子发出荧光，并使用测量它们产生的光量的相机对它们进行计数：光越多，陷阱中的原子就越多，反之亦然。

每当被困的锂原子被少数在真空中移动的分子之一击中时，碰撞就会将原子踢出磁阱。原子喷射阱的速度越快，真空室中的分子就越多。

冷原子真空计的最大成本驱动因素之一是冷却和检测原子所需的激光数量。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。该方案允许将多达四个单元连接到同一激光源。对于需要多个传感器的应用，例如加速器设施或半导体生产线上的应用，pCAVS传感器的这种多路复用可以降低单位成本。

在目前的实验中，两个pCAVS中被困的原子云在彼此的直接视线中相隔20厘米（约8英寸）。结果，假设两个原子云处的压力是相同的。但是当研究小组首次使用它们来测量真空压力时，这两个仪表显示出截然不同的原子损失率。

唯一可能导致它们处于不同压力的因素是泄漏，一个可以允许大气气体进入真空的小孔。它必须非常小：在打开pCAVS之前，该团队已经彻底检查了此类泄漏。该团队获得了他们能找到的最灵敏的检漏仪进行最后一次搜索，发现pCAVS的一个玻璃窗中确实存在微小的针孔泄漏。泄漏修复后，两个pCAVS就他们的测量结果达成了一致。

寻找多个真空计之间读数的差异是一种泄漏检测方法，通常用于大型科学实验，包括粒子加速器和重力波探测器，如LIGO。

然而，这种技术的主要局限性是大多数真空计的校准可以随时间而变化。因此，通常很难将真正的泄漏与单纯的校准漂移区分开来。但由于pCAVS是主仪表，因此没有校准，因此没有校准漂移。使用三个或更多pCAVS可以帮助下一代加速器和重力波探测器以更高的精度三角测量其大型真空系统中的泄漏。

开发pCAVS的下一步是验证其理论基础。为了将冷原子从磁阱的损失率转化为压力，需要进行量子散射计算。“这些计算相当复杂，”领导理论工作的EiteTiesinga说，“但我们相信他们的计算可以达到百分之几。

该理论的最终测试是建立一个特殊的真空室，可以在其中产生已知的压力-称为动态膨胀标准-并附加一个pCAVS来测量该压力。如果pCAVS和动态膨胀标准在压力上达成一致，那就是该理论是正确的证据。“该过程的下一步已经在进行中，我们希望很快知道该理论是否良好，”埃克尔说。

更多信息：等人，两种多路复用便携式冷原子真空标准的比较，AVSQuantumScience（2022）。DOI：10.1116/5.0095011