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Uma câmara de vácuo nunca está perfeitamente vazia. Um pequeno número de átomos ou moléculas sempre permanece, e medir as pequenas pressões que eles exercem é crítico. Por exemplo, os fabricantes de semicondutores criam microchips em câmaras de vácuo que devem ser quase totalmente desprovidas de contaminantes atômicos e moleculares e, portanto, 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 o padrão de vácuo de átomo frio. 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 fazer leituras de pressão de referência.
Tendo desenvolvido o CAVS nos últimos sete anos, os pesquisadores do NIST recentemente submeteram sua técnica aos testes mais rigorosos até o momento. Seu novo estudo, na revista AVS ciência quântica, mostra que os resultados do CAVS concordam com o método tradicional “padrão ouro” para medir baixas pressões, demonstrando que esta nova técnica pode fazer medições com o mesmo grau de precisão e confiabilidade.
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 ciência de última geração. E sua operação, baseada em princípios de física quântica bem compreendidos, significa que ele pode fazer leituras precisas “diretamente da caixa”, sem exigir ajustes ou calibração para outras fontes ou técnicas de pressão de referência.
“Este é o resultado culminante”, disse a física do NIST Julia Scherschligt. “Tivemos vários desenvolvimentos positivos antes. Mas isso valida o fato de que nosso padrão de átomo frio é realmente 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.
A tecnologia CAVS mede pressões de vácuo usando um gás frio de cerca de cem mil átomos de lítio ou rubídio presos em um campo magnético. Esses átomos ficam fluorescentes quando iluminados por um laser sintonizado na frequência certa. Os pesquisadores podem contar o número de átomos presos com precisão medindo a intensidade desse brilho.
Quando o sensor CAVS é conectado a uma câmara de vácuo, os átomos ou moléculas restantes na câmara colidem com os átomos presos. Cada colisão tira um átomo da armadilha, reduzindo o número de átomos e a intensidade da luz emitida. Essa intensidade, facilmente medida por sensores de luz, serve como uma medida sensível de pressão. Essa relação entre a taxa de escurecimento e o número de moléculas é prevista exatamente pela mecânica quântica.
No novo trabalho, os pesquisadores do NIST anexaram seus sensores CAVS ao clássico padrão de referência padrão-ouro para pressão de gás, conhecido como sistema de expansão dinâmica.
Os sistemas de expansão dinâmica funcionam injetando uma quantidade conhecida de gás, medida em moléculas por segundo, em uma câmara de vácuo e removendo lentamente o gás da outra extremidade da câmara a uma taxa conhecida. Os pesquisadores então calculam a pressão resultante na câmara.
Neste experimento, os pesquisadores construíram um sistema de expansão dinâmica de alto desempenho que permitia fluxos de gás extremamente pequenos – na faixa de 10 bilhões a 100 bilhões de átomos ou moléculas por segundo – e incluíam um medidor de vazão personalizado para medir os fluxos. tão baixo. O buraco que eles construíram para remover os átomos lentamente da câmara foi usinado com precisão submicrométrica.
“O levantamento pesado necessário para levantar um desses dispositivos padrão clássicos é monumental”, disse Scherschligt. “Passar pelo esforço de fazer isso realmente enfatizou o objetivo de todo esse experimento, que é que o CAVS fornece alta precisão de uma forma muito mais simples.”
Os pesquisadores do NIST testaram dois tipos de sensores CAVS em seu trabalho. Um é uma versão de laboratório; a segunda é uma versão móvel que pode ser facilmente usada em configurações avançadas de fabricação de chips.
“De fato, a versão portátil é tão simples que acabamos decidindo automatizá-la de forma que raramente tivéssemos que intervir em sua operação. Na verdade, a maioria dos dados do CAVS portátil para este estudo foi obtida enquanto estávamos confortavelmente dormindo em casa”, disse o físico do NIST Dan Barker.
“Os gases que medimos – incluindo nitrogênio, hélio, argônio e até néon – são todos gases de processo de semicondutores inertes”, disse o físico do NIST Steve Eckel. “Mas, no futuro, esperamos medir mais gases reativos como hidrogênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono e oxigênio, que são gases residuais comuns encontrados em câmaras de vácuo e gases úteis para a fabricação de semicondutores”.
Juntos, esses sistemas CAVS prometem ajudar os pesquisadores que trabalham com pressões ultrabaixas a alcançar novos patamares tanto na ciência quanto na tecnologia.
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