利用量子的冷原子测量真空压力

文章来源：物理研究更新

原文作者：大锅天眼

真空压力是指在一个封闭的容器中，几乎没有任何物质存在时，容器壁上所受到的压力。这种压力是由于容器内部存在着一些残余的气体分子或其他微粒，它们不断地与容器壁发生碰撞而产生的。真空压力越低，说明容器内部越接近完全没有物质的状态。真空压力的测量对于许多科学和工程领域都非常重要，比如基础物理实验、半导体制造、航天技术等。然而，真空压力的测量并不容易，因为它涉及到非常微小的力和非常稀薄的气体。

目前，有许多不同类型的真空计可以用来测量真空压力，比如热导真空计、电离真空计、静电真空计等。这些真空计都有各自的优缺点，比如测量范围、灵敏度、稳定性、可靠性等。然而，这些真空计都有一个共同的问题，就是它们都需要经过校准才能给出准确的读数。

校准就是指用一个已知的标准来比较和调整真空计的输出信号。这个标准通常是一个动态膨胀系统(DES)，它可以利用一个已知流量的气体来产生一个已知密度和温度的气体，并将其与真空计相连。通过测量DES中气体密度和温度的变化，可以得到相应的压力值，并与真空计进行比较。

然而，DES也有自己的不确定性和误差来源，比如流量计、温度计、密封性等。因此，人们一直在寻找一种更加精确和可靠的方法来测量真空压力，而不需要依赖于任何外部标准或校准。这就是一篇新论文所提出的基于量子的冷原子真空标准(CAVS)所要做到的。

CAVS的基本原理是利用超冷原子在磁场中形成一个保守势阱，并观察它们与背景气体分子发生碰撞时从势阱中逸出(损失)的速率。每次碰撞都会使一个超冷原子获得足够大的能量，使其超过势阱的势垒，从而逃逸出去。因此，超冷原子的损失率与背景气体的密度成正比，而背景气体的密度又与真空压力成正比。因此，如果我们知道了超冷原子的损失率和背景气体的种类，我们就可以通过一个简单的公式来计算真空压力：p=Γ/(LkT)。

其中p是真空压力，Γ是超冷原子的损失率，L是碰撞损失率系数，k是玻尔兹曼常数，T是背景气体的温度。这个公式看起来很简单，但是它其实包含了很多量子力学的知识和技巧。首先，我们需要知道如何制备和测量超冷原子。其次，我们需要知道如何计算或测量碰撞损失率系数L，它是一个与碰撞双方的性质和相对速度有关的量。最后，我们需要知道如何控制和测量背景气体的密度和温度。

研究人员使用了两种不同的超冷原子：7Li和87Rb，并分别与六种不同的背景气体：He, Ne, N₂, Ar, Kr和Xe进行了碰撞实验。他们使用了一个特殊设计的DES来设置一个已知密度和温度的背景气体，并将其与一个磁光阱(MOT)相连。MOT是一种常用的制备和捕获超冷原子的装置，它利用激光和磁场来对原子进行冷却和约束。

他们通过测量MOT中超冷原子数量随时间的衰减曲线，来得到超冷原子的损失率Γ。他们还使用了一个高分辨率的光谱仪来测量背景气体的温度T。他们还使用了一个质谱仪来测量背景气体的种类和密度。他们还使用了一个数值模拟的方法来计算碰撞损失率系数L，它是一个与碰撞双方的性质和相对速度有关的量。他们考虑了不同的碰撞过程，比如弹性碰撞、非弹性碰撞、化学反应等，并根据量子力学的原理，计算了每种过程对超冷原子损失率的贡献。

通过这些实验和计算，他们得到了一系列的数据和结果，它们展示了超冷原子损失率与背景气体种类、密度和温度之间的关系。基于这些结果，他们提出了一种基于量子的冷原子真空标准，它可以用来测量真空压力而不需要任何外部标准或校准。

审核编辑：汤梓红