真空室从来不是完全空的。少量的原子或分子总是存在，测量它们施加的微小压力是至关重要的。例如，半导体制造商在几乎完全没有原子和分子污染物的真空室中制造微芯片，因此他们需要监测室中的气体压力，以确保污染物水平处于可接受的低水平。
现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们已经验证了一种测量极低气体压力的新方法，称为CAVS，即冷原子真空标准。他们已经确定他们的技术可以作为“主要标准”——换句话说，它可以在不需要首先校准参考压力读数的情况下进行本质上准确的测量。
在过去的七年里，NIST的研究人员开发了CAVS，最近他们的技术通过了迄今为止最严格的测试。他们在AVS量子科学杂志上发表的新研究表明，CAVS的结果与测量低压的传统“金标准”方法一致，表明这种新技术可以以同样的精度和可靠性进行测量。
CAVS不仅可以像传统压力表一样进行测量，而且还可以可靠地测量更低的真空压力-地球海平面大气压的万亿分之一或更低-这将是未来芯片制造和下一代科学所需要的。它的操作基于众所周知的量子物理原理，这意味着它可以“开箱即用”地获得准确的读数，而不需要对其他参考压力源或技术进行任何调整或校准。
“这是最终的结果，”NIST物理学家Julia scherschlight说。“我们之前有过许多积极的进展。但这证实了一个事实，即我们的冷原子标准确实是一个标准。”
除了半导体制造，这种新方法还可用于其他需要高真空环境的应用，如量子计算机、引力波探测器、粒子加速器等等。
CAVS技术利用被困在磁场中的大约10万个锂或铷原子的冷气体来测量真空压力。当调谐到合适频率的激光照射这些原子时，它们就会发出荧光。研究人员可以通过测量这种发光的强度来精确地计算被困原子的数量。
当CAVS传感器为co时与真空室相连，室中剩余的原子或分子与被捕获的原子发生碰撞。每次碰撞都会使一个原子脱离陷防，从而减少原子的数量和发出的光的强度。这种强度很容易被光传感器测量，可以作为一种敏感的压力测量方法。这个关系量子力学精确地预测了变暗速率和分子数量之间的关系。
在这项新工作中，NIST的研究人员将他们的CAVS传感器连接到经典的气体压力金标准参考标准，即动态膨胀系统。
动态膨胀系统的工作原理是向真空室注入已知数量的气体，以分子/秒为单位，然后以已知的速率从真空室的另一端缓慢排出气体。然后，研究人员计算了腔内产生的压力。
在这个实验中，研究人员建立了一个高性能的动态膨胀系统，该系统允许非常小的气体流动，在每秒100亿到1000亿个原子或分子的范围内，并包括一个定制的流量计来测量这种低流量。他们建造的用来将原子缓慢移出腔室的孔被加工到亚微米的精度。
舍尔施莱特说:“支撑起这些经典标准装置所需要的繁重工作是巨大的。”“通过这样的努力，我们真正明白了整个实验的要点，即CAVS以更简单的形式提供了高精度。”
NIST的研究人员在他们的工作中测试了骑士队的两种传感器。一个是实验室版本;第二种是移动版本，可以很容易地用于先进的芯片制造环境。
“事实上，便携式版本非常简单，我们最终决定将其自动化，这样我们就很少需要干预它的操作。事实上，这项研究中骑士队的便携式数据大部分是在我们舒适地在家睡觉时获取的，”NIST的物理学家丹·巴克说。
“我们测量到的气体——包括氮气、氦气、氩气甚至是氖——都是惰性的半导体过程气体，”NIST物理学家史蒂夫·埃克尔说。“但在未来，我们希望能测量更多的活性气体，如氢、二氧化碳、一氧化碳和氧气，这些都是真空室中常见的残余气体，也是半导体制造中有用的气体。”
总之，这些CAVS系统有望帮助研究人员在超低压力下工作，达到科学和技术的新高。
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