Une nouvelle façon de mesurer presque rien :des atomes piégés ultrafroids pour mesurer la pression
Schéma de principe de la conception du capteur de vide NIST. Crédit :Daniel Barker/NIST
De nombreux fabricants de semi-conducteurs et laboratoires de recherche subissent une pression croissante de, de toutes choses, vide. Ces installations doivent éliminer de plus en plus de molécules de gaz et de particules de leurs installations, car les nouvelles technologies et les nouveaux procédés exigent des pressions de plus en plus basses. Par exemple, les chambres à vide dans lesquelles les fabricants de puces électroniques déposent étape par étape une série de couches ultrafines de produits chimiques - un processus qui doit être totalement exempt de contaminants - fonctionnent à environ un cent milliardième de la pression atmosphérique au niveau de la mer. Certaines applications nécessitent des pressions au moins mille fois inférieures à cela, se rapprochant des environnements encore plus raréfiés de la Lune et de l'espace extra-atmosphérique.
Mesurer et contrôler le vide à ces niveaux est une activité exigeante dans laquelle la précision est essentielle. La technologie actuelle repose généralement sur un appareil appelé jauge ionique. Cependant, les jauges ioniques nécessitent un réétalonnage périodique et ne sont pas compatibles avec le nouvel effort mondial visant à fonder le Système international d'unités (SI) sur des données fondamentales, constantes invariantes et phénomènes quantiques.
Les scientifiques du NIST ont maintenant conçu une jauge à vide suffisamment petite pour être déployée dans des chambres à vide couramment utilisées. Il répond également aux critères Quantum SI, ce qui signifie qu'il ne nécessite aucun étalonnage, dépend des constantes fondamentales de la nature, rapporte la bonne quantité ou pas du tout, et a spécifié des incertitudes qui conviennent à son application. La nouvelle jauge suit l'évolution du nombre d'atomes de lithium froids piégés par un laser et des champs magnétiques dans le vide. Les atomes piégés deviennent fluorescents sous l'effet de la lumière laser.
Chaque fois qu'un atome froid est heurté par l'une des rares molécules se déplaçant dans la chambre à vide, la collision fait sortir l'atome de lithium du piège, diminuant la quantité de lumière fluorescente émise. Une caméra enregistre la gradation. Plus la lumière baisse vite, plus il y a de molécules dans la chambre à vide, faisant du niveau de fluorescence une mesure sensible de la pression.
Le nouveau système portable est le résultat d'un projet du NIST visant à créer un étalon de table pour le vide à atomes froids (CAVS) qui sera utilisé pour mesurer les propriétés atomiques fondamentales. Alors que CAVS est trop grand pour, et inadapté à, utilisation en dehors du laboratoire, la version portable, ou p-CAVS, est conçu pour remplacer les vacuomètres existants.
"Personne n'a pensé à la façon de miniaturiser un tel manomètre à vide à atomes froids et aux types d'incertitudes que cela entraînerait, " a déclaré Stephen Eckel, l'un des scientifiques du projet qui, en septembre, a décrit leur conception dans la revue Métrologie . "Nous sommes en train de développer un tel système qui pourrait potentiellement remplacer les capteurs actuellement sur le marché, ainsi que de déterminer comment l'exploiter et l'évaluer. » Les composants individuels sont testés, et un prototype fonctionnel est attendu dans un avenir proche.
La conception du NIST utilise une variation nouvellement développée sur une technologie de base de la physique atomique :le piège magnéto-optique (MOT). Dans un MOT typique, il y a six faisceaux laser—deux faisceaux opposés sur chacun des trois axes. Les atomes placés dans le piège sont ralentis lorsqu'ils absorbent l'impulsion des photons laser d'exactement la bonne quantité d'énergie, amortir le mouvement des atomes. Pour les confiner à l'endroit souhaité, le MOT contient un champ magnétique variable, dont la force est nulle au centre et augmente avec la distance vers l'extérieur. Les atomes dans les zones à champ plus élevé sont plus sensibles aux photons laser et sont donc poussés vers l'intérieur.