광학 및 포토닉스 뉴스

스튜어트 윌스

NIST 진공 영웅 Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt 및 동료들은 레이저 냉각 원자와 자기 트랩을 사용하여 초저압을 측정하는 방법을 검증했습니다. [이미지 : NIST]

반도체 칩 제조, LIGO와 같은 거대 중력파 관측소, 일부 종류의 양자 컴퓨터에는 공통점이 무엇입니까? 한 가지는 세 가지 모두의 작업이 높은 진공부터 초고진공까지 달성, 유지 및 측정하는 까다로운 업적에 의존한다는 것입니다. 미국 과학자 팀은 이제 작업을 훨씬 더 쉽게 만들 수 있는 진공 계측 접근 방식을 검증했다고 밝혔습니다.

지난 7년 동안 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구원들은 차세대 양자 기반 진공 센서를 개발해 왔습니다. CAVS(저온 원자 진공 표준)라는 약어를 사용하는 이 센서는 레이저 냉각되고 자기적으로 갇힌 원자 구름과 약간의 형광 마법을 사용하여 10–8 Pa 이하의 영역까지 진공을 안정적으로 측정합니다. 해수면 대기압의 1조분의 1보다 높습니다.

새로 발표된 연구에서 팀은 이제 동적 확장(AVS Quant. Sci., doi: 10.1116/5.0147686)으로 알려진 진공 계측의 고전적인 황금 표준에 대해 양자 CAVS를 검증하는 중요한 단계를 보고했습니다. 검증 결과, 연구원들은 동적 확장 시스템보다 설정 및 사용이 훨씬 더 쉽다고 말하는 CAVS 접근 방식이 기존 진공 측정 시스템을 보다 간단하고 직접적으로 교정할 수 있다고 믿습니다. 그리고 p-CAVS라고 불리는 휴대용 버전은 현장의 일부 유형의 진공 게이지를 대체할 수도 있습니다.

진공 계측에 대한 저온 원자 접근 방식은 트랩 원자 비즈니스의 오랜 골치 아픈 문제를 완전히 해결하는 방식으로 작동합니다.

자기 원자 트랩에서 알칼리 금속인 리튬 및 루비듐과 같은 자기 모멘트를 갖는 중성 원자는 일반적으로 레이저의 복사 압력에 의해 먼저 밀리켈빈 미만 수준으로 냉각됩니다. 그런 다음 차가운 원자 구름은 높은 자기장 구배를 받게 되며, 이는 느리고 냉각된 중성 원자를 자기장 내의 국지적 에너지 최소값으로 가두게 됩니다.

진공 계측에 대한 저온 원자 접근 방식은 트랩 원자 비즈니스의 오랜 골치 아픈 문제를 완전히 해결하는 방식으로 작동합니다.

실험실 자기 트랩 자체는 초고진공에서 작동해야 하지만 완벽한 진공은 없습니다. 진공 챔버 내에는 항상 몇 개의 배경 가스 원자나 분자가 튀고 있습니다. 이 가스 분자는 결국 자기적으로 갇힌 원자와 충돌하여 원자를 트랩 밖으로 밀어냅니다. 이는 차가운 원자가 제한된 시간 동안만 얕은 자기 트랩에 고정될 수 있다는 것을 의미하며, 이는 실험에서 고려해야 할 제약 조건입니다.

그러나 지난 10여년 동안 연구원들은 저온 원자 트래핑의 이러한 본질적인 한계가 극도로 희박한 진공을 측정하는 다른 응용 분야에서 이점으로 바뀔 수 있다는 것을 점점 더 인식해 왔습니다. 특히, 트랩 내의 원자가 배경 가스 원자 또는 분자에 의해 튀어 나오는 속도를 측정할 수 있다면 챔버 내 가스 분자의 밀도 n을 결정하는 것이 가능해야 합니다. 이 시점에서 이상 기체 법칙 p = nkT(여기서 p는 압력, T는 온도, k는 볼츠만 상수)를 간단히 적용하여 진공 챔버의 압력을 계산합니다.

NIST 팀은 이 아이디어를 CAVS 센서의 두 가지 유형에 적용했습니다. 하나는 실험실 규모 설정(l-CAVS)으로 루비듐 원자를 센서로 사용합니다. 다른 하나는 휴대용 CAVS(p-CAVS)로 리튬 원자를 사용합니다.

NIST 비디오는 CAVS 시스템에서 작동하는 기본 프로세스를 보여줍니다. [이미지: NIST] [동영상 보기]

CAVS 장치는 먼저 측정할 진공 챔버에 부착되고 공기가 진공 챔버에서 배출될 때 챔버와 압력 평형을 유지합니다. 챔버가 완전 진공에 도달하면 수십만 개의 Rb 또는 Li 원자가 레이저 냉각되어 MOT(광자기 트랩)에 포착됩니다. 냉각 및 트래핑 과정에서 알칼리 금속 원자 가스가 형광을 발하고 형광 신호가 CMOS 카메라로 캡처됩니다.