Un estándar primario para medir el vacío

Un novedoso sistema de vacuómetro de base cuántica inventado por investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha pasado su primera prueba para ser un verdadero estándar primario, es decir, intrínsecamente preciso sin necesidad de calibración.

La medición precisa de la presión es de urgente interés para los fabricantes de semiconductores que fabrican sus chips capa por capa en cámaras de vacío que funcionan a una cien mil millonésima parte o menos de la presión del aire al nivel del mar y deben controlar rigurosamente ese entorno para garantizar la calidad del producto.

«Las próximas generaciones de fabricación de semiconductores, tecnologías cuánticas y experimentos de tipo aceleración de partículas requerirán un vacío exquisito y la capacidad de medirlo con precisión», dijo Stephen Eckel, científico principal del proyecto del NIST.

Hoy en día, la mayoría de las instalaciones comerciales y de investigación utilizan sensores convencionales de alto vacío basados ​​en la corriente eléctrica detectada cuando las moléculas de gas enrarecido en una cámara son ionizadas (cargadas eléctricamente) por una fuente de electrones. Estos medidores de ionización pueden volverse poco confiables con el tiempo y requieren una recalibración periódica. Y no son compatibles con el nuevo esfuerzo mundial de basar el Sistema Internacional de Unidades (SI) en constantes invariantes fundamentales y fenómenos cuánticos.

El sistema de NIST, por el contrario, mide la cantidad de moléculas de gas (típicamente hidrógeno) que quedan en la cámara de vacío al medir su efecto en un grupo microscópico de átomos de litio atrapados enfriados a unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto e iluminados por luz láser. No necesita calibración porque la dinámica de interacción entre los átomos de litio y las moléculas de hidrógeno se puede calcular exactamente a partir de primeros principios.

Este estándar portátil de vacío de átomo frío (pCAVS), de 1,3 litros de volumen sin incluir el sistema láser, puede acoplarse fácilmente a cámaras de vacío comerciales; un canal estrecho conecta el interior de la cámara con el núcleo pCAVS. En una serie reciente de experimentos, cuando los científicos conectaron dos unidades pCAVS a la misma cámara, ambas produjeron exactamente las mismas mediciones dentro de sus muy pequeñas incertidumbres.

Las unidades pudieron medir con precisión presiones tan bajas como 40 mil millonésimas de pascal (Pa), la unidad de presión del SI, dentro del 2,6 por ciento. Eso es casi lo mismo que la presión que rodea a la Estación Espacial Internacional. La presión atmosférica al nivel del mar es de alrededor de 100.000 Pa.

«El estándar portátil de vacío de átomo frío ha superado su primera gran prueba», dijo Eckel. «Si construye dos estándares presumiblemente primarios de cualquier tipo, el primer paso es asegurarse de que estén de acuerdo entre sí cuando miden lo mismo. Si no están de acuerdo, claramente no son estándares». Eckel y sus colegas informaron sus resultados en línea el 15 de julio en la revista Ciencia cuántica AVS.

En el núcleo del sensor pCAVS, los átomos de litio ultrafríos vaporizados se dispensan desde una fuente y luego se inmovilizan en una trampa magnetoóptica (MOT) a escala de chip diseñada y fabricada en el NIST. Los átomos que ingresan a la trampa se ralentizan en la intersección de cuatro rayos láser: un rayo láser de entrada y otros tres reflejados desde un chip de rejilla especialmente diseñado. Los fotones láser se ajustan exactamente al nivel de energía correcto para amortiguar el movimiento de los átomos.

Para confinarlos en la ubicación deseada, el MOT utiliza un campo magnético esférico producido por un conjunto circundante de seis imanes permanentes de neodimio. La intensidad del campo es cero en el centro y aumenta con la distancia hacia el exterior. Los átomos en áreas de campo superior son más susceptibles a los fotones láser y, por lo tanto, son empujados hacia adentro.

Después de que los átomos de litio se cargan en el MOT, los láseres se apagan y una pequeña fracción de los átomos, alrededor de 10,000, quedan atrapados únicamente por el campo magnético. Después de esperar un período de tiempo, el láser se vuelve a encender. La luz láser hace que los átomos fluorezcan y se cuentan con una cámara que mide la cantidad de luz que producen: cuanta más luz, más átomos en la trampa y viceversa.

Cada vez que un átomo de litio atrapado es golpeado por una de las pocas moléculas que se mueven en el vacío, la colisión expulsa al átomo de la trampa magnética. Cuanto más rápido sea el ritmo con el que los átomos son expulsados ​​de la trampa, más moléculas habrá en la cámara de vacío.

Uno de los mayores factores de costo de un medidor de vacío de átomos fríos es la cantidad de láseres necesarios para enfriar y detectar los átomos. Para aliviar ese problema, ambas unidades pCAVS reciben luz del mismo láser a través de un interruptor de fibra óptica y toman medidas alternativamente. El esquema permite conectar hasta cuatro unidades a la misma fuente de láser. Para aplicaciones en las que se requieren varios sensores, como los de las instalaciones de aceleradores o las líneas de fabricación de semiconductores, dicha multiplexación de sensores pCAVS puede reducir el costo por unidad.

Para el experimento actual, las nubes de átomos atrapados en los dos pCAVS se separaron 20 cm (unas 8 pulgadas) en línea directa entre sí. Como resultado, se supuso que las presiones en las dos nubes de átomos eran idénticas. Pero cuando el equipo los usó por primera vez para medir la presión del vacío, los dos indicadores mostraron tasas de pérdida de átomos muy diferentes.

«Mi corazón se hundió», dijo Eckel. «Se supone que estos son estándares de vacío, y cuando los encendimos, no pudieron ponerse de acuerdo sobre la presión de la cámara de vacío». Para tratar de determinar el origen de la discrepancia, el equipo intercambió componentes entre las dos unidades en múltiples experimentos. Mientras intercambiaban componentes, los dos pCAVS continuaron en desacuerdo, curiosamente, exactamente en la misma cantidad. «Finalmente, se nos ocurrió: tal vez, de hecho, están a diferentes presiones», dijo Daniel Barker, uno de los científicos del proyecto.

Lo único que podría haber causado que estuvieran a diferentes presiones es una fuga, un pequeño orificio que podría permitir que el gas atmosférico ingrese al vacío. Tenía que ser muy pequeño: el equipo había revisado minuciosamente tales fugas antes de encender los pCAVS. El equipo obtuvo el detector de fugas más sensible que pudieron encontrar para hacer una búsqueda final y descubrieron que efectivamente había una pequeña fuga en una de las ventanas de vidrio del pCAVS. Después de reparar la fuga, los dos pCAVS acordaron sus medidas.

La búsqueda de discrepancias en las lecturas entre varios vacuómetros es un método de detección de fugas que se utiliza a menudo en grandes experimentos científicos, incluidos los aceleradores de partículas y los detectores de ondas de gravedad como LIGO.

Sin embargo, la principal limitación de esta técnica es que la calibración de la mayoría de los vacuómetros puede cambiar con el tiempo. Por esa razón, a menudo es difícil distinguir una verdadera fuga de una mera desviación en la calibración. Pero debido a que el pCAVS es un indicador principal, no hay calibración y, por lo tanto, no hay desviación de calibración. El uso de tres o más pCAVS puede ayudar a la próxima generación de aceleradores y detectores de ondas de gravedad a triangular las fugas en sus grandes sistemas de vacío con mayor precisión.

Los próximos pasos en el desarrollo de pCAVS es validar su base teórica. Para traducir la tasa de pérdida de átomos fríos de la trampa magnética a una presión, se requieren cálculos de dispersión cuántica. «Estos cálculos son bastante complicados», dice Eite Tiesinga, quien dirige el esfuerzo teórico, «pero creemos que sus cálculos son buenos para un pequeño porcentaje».

La prueba definitiva para la teoría es construir una cámara de vacío especial donde se pueda generar una presión conocida, llamada estándar de expansión dinámica, y conectar un pCAVS para medir esa presión. Si el pCAVS y el estándar de expansión dinámica concuerdan en la presión, eso es evidencia de que la teoría es correcta. «Este próximo paso en el proceso ya está en marcha y esperamos saber si la teoría es buena muy pronto», dijo Eckel.