Standards neu definieren: NISTs neuer Ansatz zur Nahmessung

Vom National Institute of Standards and Technology (NIST), 20. August 2023

Um die Genauigkeit ihres neuen Ansatzes zur Messung von Ultratiefvakuumdrücken zu überprüfen, bauten NIST-Forscher eine Hochleistungsversion eines herkömmlichen Druckmessaufbaus, ein sogenanntes dynamisches Expansionssystem. In diesem System injizierten sie Gas mit einer Flussrate von etwa 10 bis 100 Milliarden Molekülen pro Sekunde in die obere Kammer. Das Gas bewegte sich mit einer bekannten Geschwindigkeit durch eine genau dimensionierte Öffnung von der oberen Kammer in die untere Kammer, die von einer großen Pumpe evakuiert wird. Eine Reihe von Messgeräten maß das Druckverhältnis zwischen der oberen und unteren Kammer, um Unvollkommenheiten zu korrigieren. Mithilfe der Durchflussrate des Gases und der Geschwindigkeit, mit der sich das Gas zwischen den beiden Kammern bewegt, berechneten die Forscher den Druck in der oberen Kammer, den das CAVS unabhängig misst. Die Forscher fanden eine Übereinstimmung zwischen diesem bekannten Druckwert und den Messwerten der CAVS-Sensoren und validierten damit ihre neue Methode. Bildnachweis: NIST

Die Chipherstellung, Gravitationswellendetektoren und Quantencomputer könnten alle von besseren Methoden zur Messung eines Vakuums profitieren.

Eine Vakuumkammer ist nie vollkommen leer. Es bleibt immer eine kleine Anzahl von Atomen oder Molekülen übrig, und die Messung der winzigen Drücke, die sie ausüben, ist von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise stellen Halbleiterhersteller Mikrochips in Vakuumkammern her, die nahezu frei von atomaren und molekularen Verunreinigungen sein müssen. Deshalb müssen sie den Gasdruck in der Kammer überwachen, um sicherzustellen, dass die Schadstoffwerte akzeptabel niedrig sind.

Jetzt haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) einen neuen Ansatz zur Messung extrem niedriger Gasdrücke namens CAVS (Cold Atom Vacuum Standard) validiert. Sie haben festgestellt, dass ihre Technik als „Primärstandard“ dienen kann – mit anderen Worten, sie kann an sich genaue Messungen durchführen, ohne dass sie zunächst auf Referenzdruckwerte kalibriert werden muss.

Having developed CAVS over the last seven years, NIST researchers recently put their technique through its most rigorous tests to date. Their new study, published in the journal AVS Quantum Science, shows that CAVS results agreed with the traditional “gold standard” method for measuring low pressures, demonstrating that this new technique can make measurements with the same degree of accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Die NIST-Forscher Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt und ihre Kollegen entwickelten und testeten eine neue Methode, den sogenannten Cold Atom Vacuum Standard (CAVS), zur Messung ultraniedriger Drücke. Bildnachweis: NIST

CAVS kann nicht nur genauso gute Messungen durchführen wie herkömmliche Druckmessgeräte, sondern es kann auch zuverlässig die viel niedrigeren Vakuumdrücke messen – ein Billionstel des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe der Erde und darunter –, die für die zukünftige Chipherstellung und darüber hinaus erforderlich sein werden -Generationswissenschaft. Und sein Betrieb, der auf gut verstandenen Prinzipien der Quantenphysik basiert, bedeutet, dass er „direkt nach dem Auspacken“ genaue Messwerte liefern kann, ohne dass Anpassungen oder Kalibrierungen für andere Referenzdruckquellen oder -techniken erforderlich sind.

“This is the culminating result,” said NIST physicist Julia Scherschligt. “We have had numerous positive developments before. But this validates the fact that our cold atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Der Atomstandard ist wirklich ein Standard.“

Neben der Halbleiterfertigung kann die neue Methode auch für andere Anwendungen nützlich sein, die Hochvakuumumgebungen erfordern, etwa Quantencomputer, Gravitationswellendetektoren, Teilchenbeschleuniger und viele mehr.

NIST-Forscher Dan Barker überprüft den CAVS-Aufbau im Labor. Bildnachweis: NIST

Die CAVS-Technologie misst Vakuumdrücke mithilfe eines kalten Gases aus etwa hunderttausend Lithium- oder Rubidiumatomen, die in einem Magnetfeld gefangen sind. Diese Atome fluoreszieren, wenn sie von einem Laser beleuchtet werden, der genau auf die richtige Frequenz eingestellt ist. Durch die Messung der Intensität dieses Leuchtens können Forscher die Anzahl der gefangenen Atome genau zählen.

Wenn der CAVS-Sensor an eine Vakuumkammer angeschlossen ist, kollidieren die in der Kammer verbleibenden Atome oder Moleküle mit den eingefangenen Atomen. Bei jeder Kollision wird ein Atom aus der Falle geschleudert, wodurch die Anzahl der Atome und die Intensität des emittierten Lichts verringert werden. Diese Intensität lässt sich leicht mit Lichtsensoren messen und dient als empfindliches Maß für den Druck. Dieser Zusammenhang zwischen der Dimmrate und der Anzahl der Moleküle wird von der Quantenmechanik genau vorhergesagt.

In der neuen Arbeit haben die NIST-Forscher ihre CAVS-Sensoren an den klassischen Goldstandard-Referenzstandard für Gasdruck angeschlossen, der als dynamisches Expansionssystem bekannt ist.

Dynamische Expansionssysteme funktionieren, indem sie eine bekannte Gasmenge, gemessen in Molekülen pro Sekunde, in eine Vakuumkammer injizieren und das Gas dann langsam mit einer bekannten Geschwindigkeit vom anderen Ende der Kammer entfernen. Anschließend berechnen die Forscher den resultierenden Druck in der Kammer.

In diesem Experiment bauten die Forscher ein leistungsstarkes dynamisches Expansionssystem, das extrem kleine Gasflüsse ermöglichte – im Bereich von 10 bis 100 Milliarden Atomen oder Molekülen pro Sekunde – und einen speziell angefertigten Durchflussmesser enthielt, um so geringe Flüsse zu messen . Das Loch, das sie bauten, um Atome langsam aus der Kammer zu entfernen, wurde mit einer Präzision im Submikrometerbereich bearbeitet.

„Die schwere Hebung, die erforderlich ist, um eines dieser klassischen Standardgeräte aufzustellen, ist enorm“, sagte Scherschligt. „Die Mühe, dies zu unternehmen, hat den Sinn dieses ganzen Experiments wirklich deutlich gemacht, nämlich dass CAVS hohe Genauigkeit in einer viel einfacheren Form bietet.“

Die NIST-Forscher testeten in ihrer Arbeit zwei Arten von CAVS-Sensoren. Eine davon ist eine Laborversion; Bei der zweiten handelt es sich um eine mobile Version, die problemlos in anspruchsvollen Chipfertigungsumgebungen eingesetzt werden kann.

„Tatsächlich ist die tragbare Version so einfach, dass wir uns schließlich entschieden haben, sie so zu automatisieren, dass wir nur sehr selten in ihren Betrieb eingreifen mussten. Tatsächlich wurden die meisten Daten des tragbaren CAVS für diese Studie aufgenommen, während wir bequem zu Hause schliefen“, sagte NIST-Physiker Dan Barker.

„Die von uns gemessenen Gase – darunter Stickstoff, Helium, Argon und sogar Neon – sind allesamt inerte Halbleiterprozessgase“, sagte NIST-Physiker Steve Eckel. „Aber in Zukunft hoffen wir, reaktivere Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Sauerstoff messen zu können, die allesamt häufige Restgase sind, die in Vakuumkammern vorkommen, und nützliche Gase für die Halbleiterherstellung.“

Zusammen versprechen diese CAVS-Systeme, Forschern, die mit ultraniedrigen Drücken arbeiten, dabei zu helfen, neue Höchstleistungen in Wissenschaft und Technologie zu erreichen.

Referenz: „Genaue Messung der Verlustrate kalter Atome aufgrund von Hintergrundgaskollisionen für den quantenbasierten Kaltatom-Vakuumstandard“ von Daniel S. Barker, James A. Fedchak, Jacek Kłos, Julia Scherschligt, Abrar A. Sheikh, Eite Tiesinga und Stephen P. Eckel, 1. August 2023, AVS Quantum Science.DOI: 10.1116/5.0147686