Un étalon primaire pour mesurer le vide

Un nouveau système de jauge à vide quantique inventé par des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) a réussi son premier test pour devenir un véritable étalon primaire, c’est-à-dire intrinsèquement précis sans nécessiter d’étalonnage.

La mesure de pression de précision est d’un intérêt urgent pour les fabricants de semi-conducteurs qui fabriquent leurs puces couche par couche dans des chambres à vide fonctionnant à ou en dessous d’un cent milliardième de la pression de l’air au niveau de la mer et doivent contrôler rigoureusement cet environnement pour garantir la qualité du produit.

« Les prochaines générations de fabrication de semi-conducteurs, de technologies quantiques et d’expériences de type accélération de particules nécessiteront toutes un vide exquis et la capacité de le mesurer avec précision », a déclaré Stephen Eckel, scientifique principal du projet au NIST.

Aujourd’hui, la plupart des installations commerciales et de recherche utilisent des capteurs conventionnels à vide poussé basés sur le courant électrique détecté lorsque les molécules de gaz raréfié dans une chambre sont ionisées (chargées électriquement) par une source d’électrons. Ces jauges d’ionisation peuvent devenir peu fiables avec le temps et nécessiter un réétalonnage périodique. Et ils ne sont pas compatibles avec le nouvel effort mondial visant à fonder le Système international d’unités (SI) sur des constantes fondamentales et invariantes et sur des phénomènes quantiques.

Le système du NIST, en revanche, mesure la quantité de molécules de gaz (généralement de l’hydrogène) restant dans la chambre à vide en mesurant leur effet sur un groupe microscopique d’atomes de lithium piégés refroidis à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu et éclairés par une lumière laser. Il n’a pas besoin d’étalonnage car la dynamique d’interaction entre les atomes de lithium et les molécules d’hydrogène peut être calculée exactement à partir des premiers principes.

Cet étalon de vide portable à atomes froids (pCAVS) – 1,3 litre de volume à l’exclusion du système laser – peut être facilement fixé aux chambres à vide commerciales ; un canal étroit relie l’intérieur de la chambre au noyau pCAVS. Dans une récente série d’expériences, lorsque les scientifiques ont connecté deux unités pCAVS à la même chambre, les deux ont produit exactement les mêmes mesures avec leurs très petites incertitudes.

Les unités ont pu mesurer avec précision des pressions aussi basses que 40 milliardièmes de pascal (Pa), l’unité SI de pression, à moins de 2,6 %. C’est à peu près la même que la pression entourant la Station spatiale internationale. La pression atmosphérique au niveau de la mer est d’environ 100 000 Pa.

« La norme de vide à atomes froids portables a passé son premier grand test », a déclaré Eckel. « Si vous construisez deux normes présumées primaires de quelque nature que ce soit, la toute première étape consiste à vous assurer qu’elles sont d’accord l’une avec l’autre lorsqu’elles mesurent la même chose. S’ils ne sont pas d’accord, ce ne sont clairement pas des normes. » Eckel et ses collègues ont rapporté leurs résultats en ligne le 15 juillet dans le journal AVS Sciences quantiques.

Dans le noyau du capteur pCAVS, des atomes de lithium ultrafroids vaporisés sont distribués à partir d’une source, puis immobilisés dans un piège magnéto-optique (MOT) à l’échelle de la puce conçu et fabriqué au NIST. Les atomes entrant dans le piège sont ralentis à l’intersection de quatre faisceaux laser : un faisceau laser d’entrée et trois autres réfléchis par une puce de réseau spécialement conçue. Les photons laser sont réglés exactement au bon niveau d’énergie pour amortir le mouvement des atomes.

Pour les confiner à l’endroit souhaité, le MOT utilise un champ magnétique sphérique produit par un réseau environnant de six aimants permanents au néodyme. L’intensité du champ est nulle au centre et augmente avec la distance vers l’extérieur. Les atomes dans les zones à champ plus élevé sont plus sensibles aux photons laser et sont donc poussés vers l’intérieur.

Une fois les atomes de lithium chargés dans le MOT, les lasers sont éteints et une petite fraction des atomes – environ 10 000 – est piégée uniquement par le champ magnétique. Après avoir attendu un certain temps, le laser se rallume. La lumière laser provoque la fluorescence des atomes, et ils sont comptés à l’aide d’une caméra qui mesure la quantité de lumière qu’ils produisent : plus il y a de lumière, plus il y a d’atomes dans le piège et vice versa.

Chaque fois qu’un atome de lithium piégé est frappé par l’une des rares molécules qui se déplacent dans le vide, la collision expulse l’atome du piège magnétique. Plus la vitesse à laquelle les atomes sont éjectés du piège est rapide, plus il y a de molécules dans la chambre à vide.

L’un des principaux facteurs de coût d’une jauge à vide à atomes froids est le nombre de lasers nécessaires pour refroidir et détecter les atomes. Pour atténuer ce problème, les deux unités pCAVS reçoivent la lumière du même laser via un commutateur à fibre optique et prennent des mesures en alternance. Le schéma permet de connecter jusqu’à quatre unités à la même source laser. Pour les applications nécessitant plusieurs capteurs, telles que celles des installations d’accélérateurs ou des lignes de fabrication de semi-conducteurs, un tel multiplexage des capteurs pCAVS peut réduire le coût unitaire.

Pour l’expérience actuelle, les nuages ​​​​d’atomes piégés dans les deux pCAVS étaient séparés de 20 cm (environ 8 pouces) en ligne directe l’un par rapport à l’autre. En conséquence, les pressions aux deux nuages ​​​​d’atomes ont été supposées identiques. Mais lorsque l’équipe les a utilisées pour la première fois pour mesurer la pression du vide, les deux jauges ont montré des taux de perte d’atomes très différents.

« Mon cœur a coulé », a déclaré Eckel. « Ce sont censés être des normes de vide, et quand nous les avons allumés, ils ne pouvaient pas s’entendre sur la pression de la chambre à vide. » Pour tenter de déterminer la source de l’écart, l’équipe a échangé des composants entre les deux unités au cours de plusieurs expériences. Au fur et à mesure qu’ils échangeaient des composants, les deux pCAVS continuaient d’être en désaccord – curieusement, d’exactement la même quantité. « Enfin, il nous est venu à l’esprit : peut-être qu’ils sont en fait à des pressions différentes », a déclaré Daniel Barker, l’un des scientifiques du projet.

La seule chose qui aurait pu les amener à être à des pressions différentes est une fuite, un petit trou qui pourrait permettre au gaz atmosphérique de pénétrer dans le vide. Il devait être très petit : l’équipe avait minutieusement vérifié l’absence de telles fuites avant d’allumer les pCAVS. L’équipe a obtenu le détecteur de fuites le plus sensible qu’elle ait pu trouver pour effectuer une dernière recherche et a découvert qu’il y avait effectivement une minuscule fuite dans l’une des fenêtres en verre du pCAVS. Après réparation de la fuite, les deux pCAVS se sont mis d’accord sur leurs mesures.

La recherche d’écarts dans les lectures entre plusieurs vacuomètres est une méthode de détection de fuites souvent utilisée dans les grandes expériences scientifiques, notamment les accélérateurs de particules et les détecteurs d’ondes de gravité tels que LIGO.

La principale limitation de cette technique, cependant, est que l’étalonnage de la plupart des vacuomètres peut changer avec le temps. Pour cette raison, il est souvent difficile de distinguer une véritable fuite d’une simple dérive d’étalonnage. Mais parce que le pCAVS est une jauge primaire, il n’y a pas d’étalonnage et donc pas de dérive d’étalonnage. L’utilisation de trois pCAVS ou plus peut aider la prochaine génération d’accélérateurs et de détecteurs d’ondes de gravité à trianguler les fuites dans leurs grands systèmes de vide avec une plus grande précision.

Les prochaines étapes du développement de pCAVS consistent à valider ses fondements théoriques. Afin de traduire le taux de perte d’atomes froids du piège magnétique en une pression, des calculs de diffusion quantique sont nécessaires. « Ces calculs sont plutôt compliqués », explique Eite Tiesinga, qui dirige l’effort théorique, « mais nous pensons que leurs calculs sont bons à quelques pour cent près ».

Le test ultime de la théorie consiste à construire une chambre à vide spéciale où une pression connue peut être générée – appelée étalon d’expansion dynamique – et à fixer un pCAVS pour mesurer cette pression. Si le pCAVS et la norme d’expansion dynamique s’accordent sur la pression, c’est la preuve que la théorie est correcte. « Cette prochaine étape du processus est déjà en cours, et nous espérons savoir très bientôt si la théorie est bonne », a déclaré Eckel.