Une équipe de recherche présente un nouvel « étalon primaire » pour mesurer les pressions ultra-basses

Une chambre à vide n’est jamais parfaitement vide. Il reste toujours un petit nombre d’atomes ou de molécules, et il est essentiel de mesurer les minuscules pressions qu’ils exercent. Par exemple, les fabricants de semi-conducteurs créent des micropuces dans des chambres à vide qui doivent être presque entièrement dépourvues de contaminants atomiques et moléculaires, et ils doivent donc surveiller la pression du gaz dans la chambre pour s’assurer que les niveaux de contaminants sont suffisamment bas.

Aujourd’hui, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont validé une nouvelle approche de mesure des pressions de gaz extrêmement basses appelée CAVS, pour cold atom vacuum standard. Ils ont établi que leur technique peut servir d' »étalon primaire » – en d’autres termes, elle peut effectuer des mesures intrinsèquement précises sans avoir besoin d’être préalablement calibrée pour référencer les lectures de pression.

Après avoir développé CAVS au cours des sept dernières années, les chercheurs du NIST ont récemment soumis leur technique à ses tests les plus rigoureux à ce jour. Leur nouvelle étude, dans la revue AVS Sciences quantiques, montre que les résultats CAVS sont en accord avec la méthode traditionnelle « gold standard » pour mesurer les basses pressions, démontrant que cette nouvelle technique peut effectuer des mesures avec le même degré de précision et de fiabilité.

Non seulement le CAVS peut effectuer des mesures aussi bonnes que celles des manomètres traditionnels, mais il peut également mesurer de manière fiable les pressions de vide beaucoup plus faibles – un billionième de la pression atmosphérique au niveau de la mer de la Terre et en dessous – qui seront nécessaires pour la future fabrication de puces et les prochaines -science de la génération. Et son fonctionnement, basé sur des principes de physique quantique bien compris, signifie qu’il peut effectuer des lectures précises « dès la sortie de la boîte », sans nécessiter d’ajustements ou d’étalonnage par rapport à d’autres sources ou techniques de pression de référence.

« C’est le résultat culminant », a déclaré la physicienne du NIST Julia Scherschligt. « Nous avons eu de nombreux développements positifs auparavant. Mais cela confirme le fait que notre norme d’atomes froids est vraiment une norme. »

En plus de la fabrication de semi-conducteurs, la nouvelle méthode peut être utile pour d’autres applications nécessitant des environnements à vide poussé, telles que les ordinateurs quantiques, les détecteurs d’ondes gravitationnelles, les accélérateurs de particules et bien d’autres.

La technologie CAVS mesure les pressions du vide à l’aide d’un gaz froid d’une centaine de milliers d’atomes de lithium ou de rubidium piégés dans un champ magnétique. Ces atomes émettent une fluorescence lorsqu’ils sont éclairés par un laser réglé sur la bonne fréquence. Les chercheurs peuvent compter précisément le nombre d’atomes piégés en mesurant l’intensité de cette lueur.

Lorsque le capteur CAVS est connecté à une chambre à vide, les atomes ou molécules restants dans la chambre entrent en collision avec les atomes piégés. Chaque collision fait sortir un atome du piège, réduisant le nombre d’atomes et l’intensité de la lumière émise. Cette intensité, facilement mesurée par des capteurs de lumière, sert de mesure sensible de la pression. Cette relation entre le taux de gradation et le nombre de molécules est prédite exactement par la mécanique quantique.

Dans le nouveau travail, les chercheurs du NIST ont attaché leurs capteurs CAVS à l’étalon de référence classique de référence pour la pression de gaz, connu sous le nom de système d’expansion dynamique.

Les systèmes d’expansion dynamique fonctionnent en injectant une quantité connue de gaz, mesurée en molécules par seconde, dans une chambre à vide, puis en éliminant lentement le gaz de l’autre extrémité de la chambre à un débit connu. Les chercheurs calculent ensuite la pression résultante dans la chambre.

Dans cette expérience, les chercheurs ont construit un système d’expansion dynamique à haute performance qui permettait des débits de gaz extrêmement faibles – de l’ordre de 10 milliards à 100 milliards d’atomes ou de molécules par seconde – et comprenait un débitmètre sur mesure pour mesurer des débits aussi faibles . Le trou qu’ils ont construit pour retirer lentement les atomes de la chambre a été usiné avec une précision submicrométrique.

« Le travail lourd nécessaire pour mettre en place l’un de ces appareils standard classiques est monumental », a déclaré Scherschligt. « L’effort de faire cela a vraiment fait comprendre le but de toute cette expérience, à savoir que CAVS offre une grande précision sous une forme beaucoup plus simple. »

Les chercheurs du NIST ont testé deux types de capteurs CAVS dans leur travail. L’un est une version de laboratoire; la seconde est une version mobile qui peut facilement être utilisée dans des environnements de fabrication de puces avancés.

« En effet, la version portable est si simple, nous avons finalement décidé de l’automatiser de telle sorte que nous devions très rarement intervenir dans son fonctionnement. En fait, la plupart des données du CAVS portable pour cette étude ont été prises alors que nous étions confortablement endormis à à la maison », a déclaré le physicien du NIST Dan Barker.

« Les gaz que nous avons mesurés, y compris l’azote, l’hélium, l’argon et même le néon, sont tous des gaz de traitement de semi-conducteurs inertes », a déclaré Steve Eckel, physicien du NIST. « Mais à l’avenir, nous espérons mesurer davantage de gaz réactifs comme l’hydrogène, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et l’oxygène, qui sont tous à la fois des gaz résiduels courants trouvés dans les chambres à vide et des gaz utiles pour la fabrication de semi-conducteurs. »

Ensemble, ces systèmes CAVS promettent d’aider les chercheurs travaillant avec des pressions ultra-basses à atteindre de nouveaux sommets en science et en technologie.