Eine neue Art, fast nichts zu messen

Das Prototypendesign verwendet ultrakalte eingeschlossene Atome, um den Druck messen

23.10.2018

Daniel Barker/NIST

Schematische Darstellung des Designs des NIST-Vakuumsensors.

Viele Halbleiterhersteller und Forschungslabore stehen unter zunehmendem Druck ausgerechnet aus dem Vakuum. Diese Anlagen müssen größere Mengen an Gasmolekülen und Partikeln aus ihren Anlagen entfernen, da neue Technologien und Prozesse immer niedrigere Drücke erfordern. So arbeiten beispielsweise die Vakuumkammern, in denen die Mikrochiphersteller Schritt für Schritt eine Reihe ultradünner Schichten von Chemikalien ablegen - ein Prozess, der völlig frei von Verunreinigungen sein muss - mit etwa einem Hundertmillionstel des Luftdrucks auf Meereshöhe. Einige Anwendungen benötigen einen mindestens tausendfach niedrigeren Druck, der sich den noch dünneren Umgebungen des Mondes und des Weltraums annähert.

Das Messen und Regeln des Vakuums auf diesen Ebenen ist ein anspruchsvolles Geschäft, bei dem Genauigkeit von entscheidender Bedeutung ist. Die aktuelle Technologie basiert in der Regel auf einem Gerät namens Ionenmessgerät. Ionenmessgeräte erfordern jedoch eine regelmäßige Rekalibrierung und sind nicht kompatibel mit den neuen weltweiten Bemühungen, das Internationale Einheitensystem (SI) auf fundamentale, unveränderliche Konstanten und Quantenphänomene zu stützen.

Jetzt haben NIST-Wissenschaftler ein Vakuummessgerät entwickelt, das klein genug ist, um es in häufig verwendeten Vakuumkammern einzusetzen. Es erfüllt auch die Quantum SI-Kriterien, d.h. es ist keine Kalibrierung erforderlich, hängt von grundlegenden Naturkonstanten ab, meldet die richtige Größe oder gar keine und hat Unsicherheiten festgelegt, die für seine Anwendung geeignet sind. Die neuen Messspuren verändern die Anzahl der durch einen Laser eingeschlossenen kalten Lithiumatome und die Magnetfelder im Vakuum. Die eingeschlossenen Atome fluoreszieren durch das Laserlicht.

Jedes Mal, wenn ein kaltes Atom von einem der wenigen Moleküle getroffen wird, die sich in der Vakuumkammer bewegen, tritt bei der Kollision das Lithiumatom aus der Falle und verringert die Menge des ausgestrahlten Fluoreszenzlichts. Eine Kamera zeichnet das Dimmen auf. Je schneller das Licht dimmt, desto mehr Moleküle befinden sich in der Vakuumkammer, so dass der Fluoreszenzwert ein empfindliches Maß für den Druck ist.

Das neue tragbare System ist das Ergebnis eines NIST-Projekts zur Entwicklung eines Tabletop Cold-Atom-Vakuumstandards (CAVS), mit dem Messungen der grundlegenden atomaren Eigenschaften durchgeführt werden sollen. Während CAVS zu groß und ungeeignet für den Einsatz außerhalb des Labors ist, ist die tragbare Version oder p-CAVS als "drop-in"-Substitut für bestehende Vakuummessgeräte konzipiert.

"Niemand hat darüber nachgedacht, wie man ein solches Kaltatom-Vakuummessgerät miniaturisieren kann und welche Unsicherheiten damit verbunden sind", sagt Stephen Eckel, einer der Projektwissenschaftler. "Wir sind dabei, ein solches System zu entwickeln, das möglicherweise die heute auf dem Markt befindlichen Sensoren ersetzen könnte, und herauszufinden, wie man es bedient und auswertet." Einzelne Komponenten werden getestet, und in naher Zukunft wird ein funktionierender Prototyp erwartet.

Das NIST-Design verwendet eine neu entwickelte Variante einer Basistechnologie der Atomphysik: die magneto-optische Falle (MOT). In einer typischen MOT gibt es sechs Laserstrahlen - zwei gegenüberliegende Strahlen auf jeder der drei Achsen. Atome, die in der Falle platziert sind, werden verlangsamt, wenn sie Impulse von Laser-Photonen mit genau der richtigen Energiemenge absorbieren und die Bewegung der Atome dämpfen. Um sie an der gewünschten Stelle einzugrenzen, enthält die MOT ein variierendes Magnetfeld, dessen Stärke in der Mitte Null ist und mit zunehmender Entfernung nach außen zunimmt. Atome in höher gelegenen Bereichen sind anfälliger für Laser-Photonen und werden daher nach innen geschoben.

Das tragbare Messgerät von NIST verwendet nur einen einzigen Laserstrahl, der auf eine optische Komponente gerichtet ist, die als Beugungsgitter bekannt ist, das das Licht in mehrere Strahlen aufteilt, die aus verschiedenen Winkeln kommen. "Das Einbringen von Laserstrahlen aus sechs verschiedenen Richtungen macht das Experiment wirklich groß und erfordert viel Optik", sagt Daniel Barker, ein weiterer NIST-Projektwissenschaftler. "Jetzt brauchen Sie nur noch einen Laserstrahl, der eintritt und auf ein Beugungsgitter trifft. Wenn das Licht gebeugt wird, erhältst du die anderen Strahlen, die du brauchst, um die MOT zu schließen und die Falle zu stellen."

Zu diesem Zeitpunkt liegen die Atome nur noch wenige Tausendstel eines Grades über dem absoluten Nullpunkt. Sie werden von umgebenden Molekülen getroffen, vor allem von Wasserstoff - dem dominierenden Gas, das nach dem Heizen der Vakuumkammern zurückbleibt und dann auf Ultrahoch (UHV) oder Extremhochvakuum (XHV) heruntergepumpt wird. Das UHV-Spektrum umfasst das Vakuumniveau um die Internationale Raumstation herum, XHV die noch niedrigeren Druckstufen über dem Mond.

Die Verwendung von Lithium ist eine weitere wissenschaftliche Innovation im NIST-Design. Lithium ist das drittleichteste Element und gehört zur Gruppe der Alkalimetalle - darunter Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium -, die vergleichsweise leicht zu kühlen und einzufangen sind. "Niemand, von dem wir wissen, hat an eine Einstrahl-MOT für Lithium gedacht", sagte Barker. "Viele Leute denken an Rubidium und Cäsium, aber nicht zu viele an Lithium. Dennoch stellt sich heraus, dass Lithium ein viel besserer Sensor für das Vakuum ist."

Zu den Vorteilen gehören: Die Interaktionsdynamik zwischen Lithiumatomen und Wasserstoffmolekülen lässt sich aus den Grundlagen genau berechnen. "Das ermöglicht es uns, ein Primärmessgerät herzustellen, das Sie nicht kalibrieren müssen", sagte Eckel. "Außerdem hat Lithium bei Raumtemperatur einen außergewöhnlich niedrigen Dampfdruck (d.h. es hat eine geringe Neigung, in einen gasförmigen Zustand überzugehen). Typischerweise wird das Atom also einen einzigen Durchgang durch die MOT-Region machen, und wenn es nicht gefangen ist, trifft es auf eine Wand und bleibt dort für immer. Mit Rubidium oder Cäsium, die bei Raumtemperatur relativ hohe Dampfdrücke aufweisen, beschichten Sie schließlich die Wände der Vakuumkammer mit so viel Rubidium oder Cäsiummetall, dass die Beschichtungen anfangen, Atome auszustoßen.

"Darüber hinaus bleibt der Dampfdruck von Lithium auch bei 150 Grad Celsius niedrig, wo man in der Regel UHV- und XHV-Kammern ausheizt, um Wasserschichten auf den Edelstahlkomponenten zu entfernen. In diesem Sinne können Sie die Vakuumkammer mit Standardtechniken vorbereiten, auch wenn dieses Messgerät angebracht ist."

UHV- und XHV-Umgebungen "sind ein kritischer Teil der Infrastruktur in der fortschrittlichen Fertigung und Forschung, von Gravitationswellendetektoren bis hin zur Quanteninformatik", sagt James Fedchak, der das Projekt leitet. "CAVS wird der erste Absolutsensor sein, der in diesem Druckregime arbeitet. Derzeit nutzen Ingenieure und Wissenschaftler oft das Experiment oder den Prozess selbst, um das Vakuumniveau zu bestimmen, das oft eine zerstörerische Prüfung ist."

"p-CAVS wird es Forschern und Herstellern ermöglichen, das Vakuumniveau vor Beginn des Experiments oder Prozesses genau zu bestimmen", sagte Fedchak. "Es wird auch ermöglichen, niedrigere Vakuumwerte genau zu messen - Werte, die in Bereichen wie der Quanteninformatik immer wichtiger werden."

National Institute of Standards and Technology (NIST)

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