그런 것은 없습니다 완전한 진공으로. 은하 사이의 우주 공허에서도 추정된 입방 미터 당 약 하나의 수소 또는 헬륨 원자의 밀도. 그러나 이러한 추정치는 크게 이론적입니다. 아직 은하계 공간에 센서를 시작한 사람은 아무도 결과를 무효화했습니다. 또한, 우리는 진공 청소기를 낮게 측정 할 수단이 없습니다.
적어도 아직은 아닙니다.
연구원들은 현재 기존 기술보다 낮은 밀도를 감지 할 수있는 새로운 진공 측정 도구를 개발하고 있습니다. 이 새로운 양자 센서는 개별 원자를 사용하여 절대 제로의 부끄러워서 냉각되어 길 잃은 입자가 치기위한 표적 역할을합니다. 이러한 원자 기반 진공 측정은 그 어느 때보 다 낮은 원자 농도를 감지 할 수 있으며 교정이 필요하지 않으므로 표준 역할을하는 좋은 후보가됩니다.
“원자는 이미 시간과 빈도의 표준이었습니다.”라고 말합니다. 커크 매디슨밴쿠버에있는 브리티시 컬럼비아 대학교 (UBC)의 물리학 교수 및 냉수 기반 진공 측정 기술의 개척자 중 하나. “진공 측정의 원자를 표준으로 만들 수 있다면 시원하지 않습니까?”
이 Quantum-Sensor 기술은 규모의 이중 성취도를 약속합니다. 전례없는 감도로 엄청나게 희귀 한 조건을 측정하는 능력을 확장 할뿐만 아니라 스케일 자체를 정의하는 기본 기준점을 확립합니다. 이 원자 기반 접근법은 교정의 필요성을 제거하고 1 차 표준으로 사용함으로써 밀도 스펙트럼의 가장 먼 모서리를 측정하는 것이 아니라 다른 모든 진공 측정을 비교하는 통치자가 될 수 있습니다.
지구의 진공 측정
인간은 아직 깊은 공간에있는 것처럼 순수한 진공을 만드는 데 아직 성공하지 못했지만 많은 지상 응용 프로그램에는 여전히 어느 정도의 공허함이 필요합니다. 반도체 제조, 대규모 물리 실험 IN 입자 그리고 웨이브 탐지일부 양자 컴퓨팅 플랫폼및 표면 분석 도구를 포함합니다 X- 선 광전자 분광법모두 소위 Ultrahigh 진공 청소기가 필요합니다.
단위 부피당 이러한 낮은 수준의 입자에서, 진공은 압력에 의해 파라미터 화되어 파스칼에서 측정된다. 일반 대기압은 10입니다5 Pa. Ultrahigh 진공 청소기는 약 10보다 적은 것으로 간주됩니다.-7 PA. 일부 응용 프로그램은 10만큼 낮습니다-9 Pa. 가장 깊은 깊이의 공간은 여전히 Nothesness 레코드를 보유하고 있으며 10 미만에 도달합니다.-20 아빠.
Ultrahigh 진공 체제에서 압력을 측정하기위한 선택 방법은 이온화 게이지입니다. “그들은 진공 튜브로 거슬러 올라가는 상당히 간단한 메커니즘으로 작동합니다.”라고 말합니다. 스티븐 에켈NIST (National Institute of Standards and Technology)의 Cold-Atom 진공 측정 팀의 일원.
휴대용 콜드 원자 진공 측정 도구 [top] 약 백만 리튬 원자의 형광을 감지합니다 [bottom]형광이 얼마나 빨리 쇠퇴하는지에 따라 진공 압력을 유추합니다. 사진 : Jayme Thornton
실제로, 이온화 게이지는 진공관과 동일한 기본 성분을 갖는다. 게이지에는 전자를 챔버로 방출하는 가열 된 필라멘트가 포함되어 있습니다. 전자는 양으로 하전 된 그리드를 향해 가속됩니다. 그리드로가는 도중에 전자는 때때로 진공 상태에서 날아 다니는 원자와 분자와 충돌하여 전자를 끄고 긍정적으로 하전 된 이온을 만듭니다. 그런 다음이 이온은 음으로 하전 된 전극에 의해 수집됩니다. 이러한 양의 이온에 의해 생성 된 전류는 진공에 떠 다니는 원자의 수에 비례하여 압력 판독 값을줍니다.
이온 게이지는 상대적으로 저렴하고 (미화 1,000 달러) 평범합니다. 그러나 그들은 몇 가지 어려움이 있습니다. 첫째, 이온 게이지의 전류는 챔버의 압력에 비례하지만, 비례 상수는 필라멘트의 정확한 형상 및 그리드와 같은 많은 미세한 세부 사항에 달려 있습니다. 설정의 전기 및 물리적 특성으로 전류를 쉽게 계산할 수 없습니다. 게이지는 철저한 교정이 필요합니다. “이온 게이지에서의 전체 교정 실행은 누군가의 한 달 내내 같은 것입니다.”라고 말합니다. 다니엘 바커NIST의 물리학자는 냉수 진공 측정 프로젝트를 진행하고 있습니다.
둘째, NIST가 제공하는 교정 서비스는 10으로 만 교정합니다.-7 Pa. 그 압력 아래의 성능은 잘 정리 된 게이지의 경우에도 의문의 여지가 있습니다. 또한, 압력이 낮을 때, 이온 게이지의 열은 문제가됩니다. 뜨거운 표면이 아웃가스링이라고 불리는 과정에서 원자를 방출하여 진공을 오염시킵니다. Madison은“압력이 낮은 진공 챔버를 촬영하는 경우 이러한 이온화 게이지는 실제로 당신에게 효과적이며 많은 사람들이 그들을 끌어냅니다.”라고 말합니다.
셋째, 이온 게이지의 판독 값은 진공에 존재하는 원자 또는 분자의 유형에 매우 크게 의존합니다. 다른 유형의 원자는 최대 4 배의 판독 값을 생성 할 수 있습니다. 진공 챔버 내부에 무엇이 있는지 정확히 알고 있거나 정확한 측정이 필요하지 않은 경우이 분산은 괜찮습니다. 그러나 특정 응용 분야, 특히 연구 환경에서 이러한 문제는 중요합니다.
콜드 아톰 진공 표준이 어떻게 작동하는지
차가운 원자 진공 측정 도구에 대한 아이디어는 차가운 원자 연구의 놀라운 부작용으로 개발되었습니다. 과학자들은 1970 년대에 더 나은 원자 시계를 만들기 위해 원자를 냉각하기 시작했습니다. 그 이후로, 원자를 냉각시키고 덫을 놓는 코티지 산업이되어 광학 원자 시계원자 내비게이션 시스템및 중립-원자 양자 컴퓨터.
이 실험은 주변 환경이 원자를 가열하는 것을 방지하기 위해 진공 상태에서 수행되어야합니다. 수십 년 동안 진공 청소기는 가능한 한 구현해야 할 까다로운 요인으로 생각되었습니다. Eckel은“원자 트랩의 새벽 이래로 원자 트랩의 진공 한계는 알려져 있습니다. 진공 챔버 주위를 날아 다니는 원자는 냉각 된 원자와 충돌하여 함정에서 벗어나서 손실을 초래합니다. 진공 상태가 좋을수록 프로세스가 느려집니다.
오늘날 고혈압 범위에서 가장 일반적인 진공 측정 도구는 기본적으로 진공 튜브 인 이온 게이지입니다. 뜨거운 필라멘트는 전자를 방출하는 전자를 방출하며, 배경 원자와 분자를 방출합니다. Jayme Thornton
UBC의 커크 매디슨과 그의 공동 작업자 제임스 부스 (그런 다음 버나비에있는 브리티시 컬럼비아 기술 연구소에서)는 그 생각을 최초로 생각했습니다. 머리 2000 년대로 돌아 왔습니다. 갇힌 원자를 보존하기 위해 진공과 싸우는 대신, 갇힌 원자를 사용하지 않는 이유는 무엇입니까? 감지기 진공이 얼마나 비어 있는가를 측정하려면?
그들이 어떻게했는지 이해하려면 전형적인 콜드 원자 진공 측정 장치를 고려하십시오. 주요 성분은 특정 원자 종의 증기로 채워진 진공 챔버입니다. 일부 실험은 Rubidium을 사용하고 다른 실험은 리튬을 사용합니다. 친구들 사이의 리튬이라고합시다.
소량의 리튬 가스가 진공 상태에 도입되며, 그 중 일부는 자기 광학 트랩으로 포착됩니다. 트랩은 트랩의 중앙에 강도가 0 인 자기장으로 구성되어 중심에서 점차적으로 증가합니다. 6 개의 레이저 빔은 위, 아래, 왼쪽, 오른쪽, 앞면 및 뒷면에서 중심을 향합니다. 자성 및 레이저 힘은 중심에서 멀어 질 수있는 리튬 원자가 레이저에서 광자를 흡수하여 추진력을 함정으로 되돌릴 수 있도록 배열됩니다.
트랩은 상당히 얕아서 뜨거운 원자 (1 켈빈)가 포착되지 않을 것임을 의미합니다. 따라서 결과는 트랩 중심에있는 정말 차가운 원자의 작고 제한된 구름입니다. 원자는 가끔 레이저 빛을 흡수하여 트랩에 보관하기 때문에 빛을 다시 만들어 형광을 만듭니다. 이 형광을 측정하면 과학자들은 트랩에 얼마나 많은 원자가 있는지 계산할 수 있습니다.
이 설정을 사용하여 진공을 측정하려면 원자를 자기 광학 트랩에로드하고 형광을 측정합니다. 그런 다음 빛을 끄고 원자를 자기장으로 잡습니다. 이 기간 동안, 진공의 배경 원자는 갇힌 원자에 우연히 발생하여 녹아웃됩니다. 잠시 후, 빛을 다시 켜고 형광이 얼마나 감소했는지 확인합니다. 이것은 얼마나 많은 원자가 녹아웃되었는지, 따라서 얼마나 많은 충돌이 발생했는지를 측정합니다.
트랩이 너무 얕고 원자가 너무 차가워지는 이유는 이러한 충돌이 매우 약하기 때문입니다. 매디슨은“몇 가지 충돌은 매우 활기차고, 대부분의 배경 가스 입자는 갇힌 원자에 속삭이면서 부드럽게 움직입니다.
이 방법은 전통적인 이온 게이지 측정에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 원자 방법은 교정이 필요하지 않습니다. 진공 압력에 따라 형광 딤률이 정확하게 계산 될 수 있습니다. 이러한 계산은 관련되어 있지만 2023 년에 출판 된 논문에서 NIST 팀 시연 최신 계산 방법은 실험과 탁월한 일치를 보여줍니다. 이 기술은 교정이 필요하지 않기 때문에 진공 압력의 주요 표준 역할을 할 수 있으며, 이온 게이지를 교정하는 데 잠재적으로 사용될 수 있습니다.
냉수 측정은 진공의 실제 내용과 관련하여 훨씬 덜 까다 롭습니다. 진공이 헬륨 또는 플루토늄으로 오염되는지 여부에 관계없이 측정 압력은 아마도 몇 퍼센트 만 다를 수 있으며, 이들 입자의 이온 게이지 감도와 판독은 크기에 따라 다를 수 있다고 Eckel은 말합니다.
차가운 원자는 또한 이온 게이지보다 훨씬 낮은 진공 압력을 측정 할 수 있습니다. 그들이 안정적으로 측정 한 현재 최저 압력은 약 10입니다.-9 PA와 NIST 과학자들은 하부 경계가 무엇인지 알아 내기 위해 노력하고 있습니다. Eckel은“우리는 정직하게 한계가 무엇인지 모르고 있으며 여전히 그 질문을 탐색하고 있습니다.
진공 청소기는 완전히 비어 없습니다. 진공 압력에 접근하는 정도는 순수한 무의미 함수가 파스칼에서 측정되며 지구의 대기는 10시에 시계가 늘어납니다.5 PA 및 은하계 공간에서 10-20. 그 사이에, 새로운 냉수 진공 게이지는 잘 확립 된 이온화 게이지가 할 수있는 것보다 공허 척도를 따라 더 측정 할 수 있습니다.
소스 : S. Eckel (콜드 아톰 게이지, 이온화 게이지); K. Zou (분자-빔 에피 택시, 화학 기상 증착); L. Monteiro, “”1976 표준 분위기 속성”(Ength ‘s)) EJ, EJ, 행성과 우주 과학 (1962) (화성, 달 분위기); A. Chambers, ‘Modern Vacuum Physics “(2004) (행성 및 은하계 공간)
물론 콜드 원자 접근 방식에는 단점이 있습니다. 그것은 더 높은 압력에서 10 이상으로 어려움을 겪고 있습니다-7 PA, 응용 프로그램은 초고속 진공 범위에 제한됩니다. 그리고 아직 사용할 수있는 상업용 원자 진공 센서는 없지만 적어도 시작하기 위해 이온 게이지보다 훨씬 비싸 질 것입니다.
즉, 이러한 장치가 새로운 가능성을 잠금 해제 할 수있는 많은 응용 프로그램이 있습니다. Ligo (레이저 간섭계 중력파 관측소) 및 CERN (유럽 핵 연구기구)을 포함한 대규모 과학 실험에서, 잘 배치 된 냉간 원자 진공 센서는 진공 압력을 측정하고 잠재적 누출이 어디에 있는지 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 온다.
반도체 개발에서, 특히 유망한 적용은 분자-빔 에피 택시 (MBE)이다. MBE는 고주파 전자 장치 및 양자 기술을 위해 레이저 다이오드 및 장치에 사용되는 소수의 고도로 순수한 반도체 층을 생산하는 데 사용됩니다. 이 기술은 울트라이트 진공 청소기에서 기능하며, 진공의 한쪽 끝에 별도의 용기에 순수한 요소가 가열됩니다. 요소는 대상 표면에 부딪 칠 때까지 진공을 가로 질러 이동하여 한 번에 하나의 층을 키 웁니다.
성분 요소의 비율을 정확하게 제어하는 것은 MBE의 성공에 필수적입니다. 일반적으로, 이것은 많은 시행 착오가 필요하고, 박막을 만들고, 비율이 올바른지 확인한 다음 필요에 따라 조정해야합니다. 콜드 원자 진공 센서를 사용하면 진공으로 방출되는 각 요소의 양을 즉시 감지하여 프로세스의 속도를 크게 높일 수 있습니다.
“이 기술이 분자-빔 에피 택시 또는 기타 초고속 진공 환경에서 사용될 수 있다면, 나는 그것이 재료 개발에 실제로 도움이 될 것이라고 생각합니다.” Ke분자-빔 에피 택시를 연구하는 UBC의 물리 조교수. 이러한 첨단 산업에서 연구원들은 아무것도 측정 할 수있는 능력이 전부라는 것을 알 수 있습니다.