利用量子的冷原子測量真空壓力

文章來源：物理研究更新

原文作者：大鍋天眼

真空壓力是指在一個(gè)封閉的容器中，幾乎沒有任何物質(zhì)存在時(shí)，容器壁上所受到的壓力。這種壓力是由于容器內(nèi)部存在著一些殘余的氣體分子或其他微粒，它們不斷地與容器壁發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的。真空壓力越低，說明容器內(nèi)部越接近完全沒有物質(zhì)的狀態(tài)。真空壓力的測量對于許多科學(xué)和工程領(lǐng)域都非常重要，比如基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、半導(dǎo)體制造、航天技術(shù)等。然而，真空壓力的測量并不容易，因?yàn)樗婕暗椒浅Ｎ⑿〉牧头浅Ｏ”〉臍怏w。

目前，有許多不同類型的真空計(jì)可以用來測量真空壓力，比如熱導(dǎo)真空計(jì)、電離真空計(jì)、靜電真空計(jì)等。這些真空計(jì)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如測量范圍、靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等。然而，這些真空計(jì)都有一個(gè)共同的問題，就是它們都需要經(jīng)過校準(zhǔn)才能給出準(zhǔn)確的讀數(shù)。

校準(zhǔn)就是指用一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)來比較和調(diào)整真空計(jì)的輸出信號。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通常是一個(gè)動(dòng)態(tài)膨脹系統(tǒng)(DES)，它可以利用一個(gè)已知流量的氣體來產(chǎn)生一個(gè)已知密度和溫度的氣體，并將其與真空計(jì)相連。通過測量DES中氣體密度和溫度的變化，可以得到相應(yīng)的壓力值，并與真空計(jì)進(jìn)行比較。

然而，DES也有自己的不確定性和誤差來源，比如流量計(jì)、溫度計(jì)、密封性等。因此，人們一直在尋找一種更加精確和可靠的方法來測量真空壓力，而不需要依賴于任何外部標(biāo)準(zhǔn)或校準(zhǔn)。這就是一篇新論文所提出的基于量子的冷原子真空標(biāo)準(zhǔn)(CAVS)所要做到的。

CAVS的基本原理是利用超冷原子在磁場中形成一個(gè)保守勢阱，并觀察它們與背景氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)從勢阱中逸出(損失)的速率。每次碰撞都會(huì)使一個(gè)超冷原子獲得足夠大的能量，使其超過勢阱的勢壘，從而逃逸出去。因此，超冷原子的損失率與背景氣體的密度成正比，而背景氣體的密度又與真空壓力成正比。因此，如果我們知道了超冷原子的損失率和背景氣體的種類，我們就可以通過一個(gè)簡單的公式來計(jì)算真空壓力：p=Γ/(LkT)。

其中p是真空壓力，Γ是超冷原子的損失率，L是碰撞損失率系數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是背景氣體的溫度。這個(gè)公式看起來很簡單，但是它其實(shí)包含了很多量子力學(xué)的知識和技巧。首先，我們需要知道如何制備和測量超冷原子。其次，我們需要知道如何計(jì)算或測量碰撞損失率系數(shù)L，它是一個(gè)與碰撞雙方的性質(zhì)和相對速度有關(guān)的量。最后，我們需要知道如何控制和測量背景氣體的密度和溫度。

研究人員使用了兩種不同的超冷原子：7Li和87Rb，并分別與六種不同的背景氣體：He, Ne, N?, Ar, Kr和Xe進(jìn)行了碰撞實(shí)驗(yàn)。他們使用了一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的DES來設(shè)置一個(gè)已知密度和溫度的背景氣體，并將其與一個(gè)磁光阱(MOT)相連。MOT是一種常用的制備和捕獲超冷原子的裝置，它利用激光和磁場來對原子進(jìn)行冷卻和約束。

他們通過測量MOT中超冷原子數(shù)量隨時(shí)間的衰減曲線，來得到超冷原子的損失率Γ。他們還使用了一個(gè)高分辨率的光譜儀來測量背景氣體的溫度T。他們還使用了一個(gè)質(zhì)譜儀來測量背景氣體的種類和密度。他們還使用了一個(gè)數(shù)值模擬的方法來計(jì)算碰撞損失率系數(shù)L，它是一個(gè)與碰撞雙方的性質(zhì)和相對速度有關(guān)的量。他們考慮了不同的碰撞過程，比如彈性碰撞、非彈性碰撞、化學(xué)反應(yīng)等，并根據(jù)量子力學(xué)的原理，計(jì)算了每種過程對超冷原子損失率的貢獻(xiàn)。

通過這些實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，他們得到了一系列的數(shù)據(jù)和結(jié)果，它們展示了超冷原子損失率與背景氣體種類、密度和溫度之間的關(guān)系?；谶@些結(jié)果，他們提出了一種基于量子的冷原子真空標(biāo)準(zhǔn)，它可以用來測量真空壓力而不需要任何外部標(biāo)準(zhǔn)或校準(zhǔn)。

審核編輯：湯梓紅