真空並非空 新方法可測量虛空中殘存物質

【2023年09月21日訊】(記者林達編譯報導)真空並不等於真的空無一物。雖然這看似有點自相矛盾,但卻是事實。任何所謂的「虛空」、「空無」或「什麼都不包含」的狀態,事實上都包含著某種東西。只不過是一個令人難以置信的小量——我們可以探測的最小量。對極度真空的測試和開發關係到未來芯片的開發。

通常,在日常生活中,「什麼都沒有」的精確定義並不重要——「功能上什麼都沒有」就足夠了。但是,當你在真空室(vacuum chamber)中進行實驗或構建物體時,「無」的精確定義則非常重要。真空室中最後剩下的一小部分原子會產生壓力,而壓力有多大對科學家來說極其重要。

因此,擁有一種可靠的方法來測量真空中極少量的污染物是當務之急。在過去七年里,美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家致力於開發一種稱為「冷原子真空標準」(CAVS)的系統來測量這些微小的壓力。研究者相信可將其用作一個「主要標準」,這意味著利用它可以進行精確無比的測量,而無需校准。

最近,研究團隊在《AVS Quantum Science》期刊9月號上發表了一篇論文,確認達成了預計的結果,即「冷原子真空標準」不僅符合超低壓測量的黃金標準,而且也超越了傳統的壓力測量系統。

NIST物理學家朱莉婭·捨施利特(Julia Scherschligt)在一份新聞稿中表示:「這是登頂的最終結果。我們之前已經取得了許多積極的進展。但這次證實了一個事實:冷原子標準是一個真正的標準。」

該技術利用磁場中捕獲的非常冷的氣態鋰或銣。然後,氣體被激光照射,使其發出螢光,研究人員可以通過激光螢光響應的亮度來準確判斷原子是怎樣被困在磁場中的。

然後,將包含整個系統的測量裝置放置在真空中。當真空中殘餘的原子撞擊到上述被捕獲的原子時,後者就會從磁場中脫落。這使得整個被捕獲的樣品發出的光稍微減弱,使研究人員能夠準確測量剩餘的原子數量,從而測量其產生的壓力有多大。

捨施利特在新聞稿中表示:「搭建這一經典標準設備所需的繁重工作是難忘的,也確實讓我們明白了整個實驗的要點,即 CAVS 以更簡單的形式實現了高精度測量。」

該設備工作得非常好,它不僅能夠測量我們現在需要實現的真空水平,而且能夠測量我們將需要的水平,以應用於「未來芯片製造和下一代的新科技」。而且很容易使用,一旦所需設備搭建完成,研究人員實際上完全可以回家等待它自行測量出結果。◇

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