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Stewart Wills

Gli eroi del vuoto del NIST Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt e i loro colleghi hanno convalidato un metodo che utilizza atomi raffreddati al laser e trappole magnetiche per misurare pressioni ultrabasse. [Immagine: NIST]

Cosa hanno in comune la produzione di chip semiconduttori, gli enormi osservatori di onde gravitazionali come LIGO e alcune varietà di computer quantistici? Una cosa è che il lavoro di tutti e tre si basa sulla difficile impresa di raggiungere, mantenere e misurare il vuoto da alto a ultraelevato. Un team di scienziati statunitensi afferma ora di aver convalidato un approccio di metrologia del vuoto che potrebbe rendere il compito sostanzialmente più semplice.

Negli ultimi sette anni, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti hanno sviluppato sensori del vuoto di nuova generazione basati su dati quantistici. Questi sensori, conosciuti con l'acronimo CAVS (per standard di vuoto con atomi freddi), si basano su nuvole di atomi intrappolati magneticamente, raffreddati al laser e su un po' di magia della fluorescenza per misurare in modo affidabile il vuoto fino all'area di 10–8 Pa, meno più di un trilionesimo della pressione atmosferica a livello del mare.

Nel lavoro appena pubblicato, il team ha ora riportato il passo significativo della convalida dei suoi CAVS quantistici rispetto al gold standard classico per la metrologia del vuoto, noto come espansione dinamica (AVS Quant. Sci., doi: 10.1116/5.0147686). Sulla scia di tale validazione, i ricercatori ritengono che l’approccio CAVS – che secondo loro è sostanzialmente più facile da configurare e utilizzare rispetto ai sistemi di espansione dinamica – potrebbe consentire una calibrazione più semplice e diretta dei sistemi di misurazione del vuoto convenzionali. E una versione portatile, denominata p-CAVS, potrebbe persino sostituire alcuni tipi di vacuometri sul campo.

L’approccio basato sull’atomo freddo alla metrologia del vuoto funziona capovolgendo un problema di vecchia data legato al business dell’atomo intrappolato.

In una trappola atomica magnetica, gli atomi neutri che possiedono un momento magnetico, come quelli dei metalli alcalini litio e rubidio, vengono prima raffreddati a livelli inferiori al millikelvina, comunemente mediante la pressione di radiazione di un laser. Quindi, la nube di atomi freddi è soggetta a un elevato gradiente di campo magnetico, che intrappola gli atomi neutri lenti e raffreddati nei minimi energetici locali all’interno del campo magnetico.

L’approccio basato sull’atomo freddo alla metrologia del vuoto funziona capovolgendo un problema di vecchia data legato al business dell’atomo intrappolato.

Anche se la stessa trappola magnetica da laboratorio deve funzionare in un vuoto ultraelevato, nessun vuoto è perfetto; ci sono sempre alcuni atomi o molecole del gas di fondo che rimbalzano all'interno della camera a vuoto. Queste molecole di gas finiranno per scontrarsi con gli atomi intrappolati magneticamente e spingerli fuori dalla trappola. Ciò significa che gli atomi freddi possono essere trattenuti in una trappola magnetica poco profonda solo per un tempo limitato, un vincolo di cui bisogna tenere conto negli esperimenti.

Negli ultimi dieci anni circa, tuttavia, i ricercatori hanno sempre più riconosciuto che questa limitazione intrinseca nell’intrappolamento degli atomi freddi potrebbe essere sfruttata in un’altra applicazione, ovvero la misurazione di vuoti estremamente sparsi. Nello specifico, se si potesse misurare la velocità con cui gli atomi nella trappola vengono rimbalzati fuori dagli atomi o dalle molecole del gas di fondo, dovrebbe essere possibile determinare la densità delle molecole di gas, n, nella camera. A quel punto, una semplice applicazione della legge dei gas ideali, p = nkT (dove p è la pressione, T è la temperatura e k è la costante di Boltzmann) calcola la pressione nella camera a vuoto.

Il team del NIST ha messo in pratica questa idea in due versioni di sensori CAVS. Uno, una configurazione su scala di laboratorio (l-CAVS), utilizza atomi di rubidio come sensore; l'altro, un CAVS portatile (p-CAVS), utilizza atomi di litio.

Un video del NIST illustra i processi di base in atto nel sistema CAVS. [Immagine: NIST] [Guarda il video]

Il dispositivo CAVS viene prima collegato alla camera a vuoto da misurare e rimane in equilibrio di pressione con la camera mentre l'aria viene evacuata da essa. Quando la camera ha raggiunto il vuoto completo, alcune centinaia di migliaia di atomi di Rb o Li vengono raffreddati tramite laser e catturati in una trappola magneto-ottica (MOT). Durante il processo di raffreddamento e intrappolamento, il gas dell'atomo di metallo alcalino emette fluorescenza e il segnale di fluorescenza viene catturato con una fotocamera CMOS.