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Stewart Wills

Les héros du vide du NIST, Dan Barker, Steve Eckel, Jim Fedchak, Julia Scherschligt et leurs collègues, ont validé une méthode utilisant des atomes refroidis par laser et des pièges magnétiques pour mesurer des pressions ultra-faibles. [Image : NIST]

Qu’ont en commun la fabrication de puces à semi-conducteurs, les énormes observatoires d’ondes gravitationnelles tels que LIGO et certaines variétés d’ordinateurs quantiques ? Une chose est que le travail des trois repose sur l’exploit délicat d’atteindre, de maintenir et de mesurer un vide poussé à ultra-poussé. Une équipe de scientifiques américains affirme désormais avoir validé une approche de métrologie sous vide qui pourrait rendre la tâche considérablement plus facile.

Au cours des sept dernières années, des chercheurs basés au National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis ont développé des capteurs à vide quantiques de nouvelle génération. Ces capteurs, qui portent l'acronyme CAVS (pour Cold-atom Vacuum Standard), s'appuient sur des nuages ​​d'atomes refroidis par laser et piégés magnétiquement et un peu de magie de fluorescence pour mesurer de manière fiable le vide jusqu'à une zone de 10 à 8 Pa, soit moins. qu’un billionième de la pression atmosphérique au niveau de la mer.

Dans des travaux récemment publiés, l'équipe a maintenant signalé l'étape importante consistant à valider ses CAVS quantiques par rapport à l'étalon-or classique pour la métrologie du vide, connu sous le nom d'expansion dynamique (AVS Quant. Sci., doi : 10.1116/5.0147686). À la suite de cette validation, les chercheurs estiment que l’approche CAVS – qui, selon eux, est nettement plus facile à mettre en place et à utiliser que les systèmes à expansion dynamique – pourrait permettre un étalonnage plus simple et plus direct des systèmes de mesure du vide conventionnels. Et une version portable, baptisée p-CAVS, pourrait même remplacer certains types de vacuomètres sur le terrain.

L’approche de la métrologie du vide basée sur les atomes froids fonctionne en renversant un problème de longue date lié au secteur des atomes piégés.

Dans un piège à atomes magnétiques, les atomes neutres possédant un moment magnétique, tels que ceux des métaux alcalins lithium et rubidium, sont d'abord refroidis à des niveaux inférieurs au millikelvin, généralement par la pression de rayonnement d'un laser. Ensuite, le nuage d’atomes froids est soumis à un gradient de champ magnétique élevé, qui piège les atomes neutres lents et refroidis dans des minimums d’énergie locaux au sein du champ magnétique.

L’approche de la métrologie du vide basée sur les atomes froids fonctionne en renversant un problème de longue date lié au secteur des atomes piégés.

Même si un piège magnétique de laboratoire lui-même doit fonctionner sous ultra-vide, aucun vide n’est parfait ; il y a toujours quelques atomes ou molécules de gaz de fond qui rebondissent dans la chambre à vide. Ces molécules de gaz finiront par entrer en collision avec les atomes piégés magnétiquement et les sortiront du piège. Cela signifie que les atomes froids ne peuvent être maintenus en place dans un piège magnétique peu profond que pendant une durée limitée, une contrainte qui doit être prise en compte dans les expériences.

Cependant, au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont de plus en plus reconnu que cette limitation inhérente au piégeage des atomes froids pourrait être mise à profit dans une autre application : la mesure de vides extrêmement clairsemés. Plus précisément, si la vitesse à laquelle les atomes du piège rebondissent sur les atomes ou les molécules du gaz de fond peut être mesurée, il devrait être possible de déterminer la densité des molécules de gaz, n, dans la chambre. À ce stade, une simple application de la loi des gaz parfaits, p = nkT (où p est la pression, T est la température et k est la constante de Boltzmann) calcule la pression dans la chambre à vide.

L’équipe du NIST a mis cette idée en œuvre dans deux types de capteurs CAVS. L’une, une configuration à l’échelle du laboratoire (l-CAVS), utilise des atomes de rubidium comme capteur ; l'autre, un CAVS portable (p-CAVS), utilise des atomes de lithium.

Une vidéo du NIST illustre les processus de base à l'œuvre dans le système CAVS. [Image : NIST] [Regarder la vidéo]

Le dispositif CAVS est d'abord fixé à la chambre à vide à mesurer et reste en équilibre de pression avec la chambre lorsque l'air en est évacué. Lorsque la chambre a atteint le vide complet, quelques centaines de milliers d’atomes de Rb ou de Li sont refroidis au laser et capturés dans un piège magnéto-optique (MOT). Pendant le processus de refroidissement et de piégeage, le gaz de l’atome de métal alcalin émet une fluorescence et le signal de fluorescence est capturé avec une caméra CMOS.