في علم القياس للضغط، سادت المعايير الميكانيكية لمدة مائة عام: مقاييس الضغط الزئبقية ومقاييس الضغط ذات المكبس. إنها جيدة بالقرب من الضغط الجوي، لكن دقتها تنخفض بسرعة عند الانتقال نحو الفراغ فائق الارتفاع (UHV، أقل من 10^-6 باسكال). المعايير الحالية للفراغ فائق الارتفاع، مثل معايير التدفق عبر الحجاب الحاجز، باهظة الثمن ومعقدة، ومقاييس الضغط بالتأين غير مستقرة. بعد إعادة تعريف النظام الدولي للوحدات في عام 2019، يمكن تحقيق الباسكال من خلال قياس كثافة الجسيمات ودرجة الحرارة، مما فتح الطريق أمام أجهزة استشعار جديدة جذريًا. العمل مع الذرات الباردة يقع في الاتجاه العام لأجهزة الاستشعار الكمومية، التي تتحدث عنها المقالات المجاورة: موازين الحرارة الكمومية، والضغط الكمومي، والبوصلة الذرية. لكن هنا لا تُستخدم الذرات لقياس المجالات أو الزمن، بل كمسابير للضغط داخل حجرة الفراغ.
يعمل المستشعر على النحو التالي: سحابة من 10^5 ذرة من الليثيوم أو الروبيديوم تُبرد بالليزر إلى عشرات الميكرو كلفن وتُحتجز في مصيدة مغناطيسية ضحلة (عمق حوالي 1 ملي كلفن). جزيئات الغاز المتبقي، التي تطير بسرعات تقابل درجة حرارة الغرفة، تصطدم بالذرات الباردة وتقذفها من المصيدة. يُقاس عدد الذرات المتبقية عن طريق التفلور بعد فترات احتجاز مختلفة، ومن معدل التناقص يُحدد تردد الفقد. هذا التردد يتناسب مع كثافة الغاز الخلفي ومعامل معدل الفقد المعروف، والذي يُحسب من المبادئ الأولى لميكانيكا التشتت الكمومي. بالنسبة للمعاملات، تُستخدم ثلاث طرق: حسابات كمومية كاملة، ونموذج شامل للتصادمات الحيودية، ومقارنة مع معيار التدفق عبر الحجاب الحاجز.
النتيجة الرئيسية: مستشعر الفراغ بالذرات الباردة (CAVS) يقيس الضغط بعدم يقين نسبي يتراوح بين 1-3% في النطاق من 5×10^-9 باسكال إلى 5×10^-5 باسكال. على سبيل المثال، في أحد العروض، تم قياس ضغط قدره 42(1) نانو باسكال. مقارنة معاملات معدل الفقد المقاسة لـ 7Li مع الحسابات من المبادئ الأولى تعطي توافقًا في حدود 2% لمعظم الغازات (H2، He، Ne، N2، Ar، Kr، Xe)، باستثناء الهيليوم حيث يصل الاختلاف إلى 3.6%. بالنسبة لـ 87Rb، تصل الاختلافات بين الطرق المختلفة إلى 17%، مما يشير إلى تأثيرات منهجية غير مقدرة. النموذج الشامل يعمل جيدًا للغازات الثقيلة، لكنه يفشل مع الغازات الخفيفة مثل H2. المقارنة المباشرة بين مستشعري CAVS مستقلين يعتمدان على 6Li و 87Rb أكدت فعالية النهج النسبي.
هذا العمل يقف على هامش بين أجهزة الاستشعار الكمومية المجاورة: تلك تقيس المجالات أو الزمن أو درجة الحرارة، بينما هنا تصبح الذرات أداة لقياس الفراغ. الاختلاف عن الجيران هو أن المستشعر لا يتطلب معايرة بمعيار ضغط آخر، لأنه يعتمد على مقاطع كمومية أساسية. هذه هي التقنية الأولى التي يمكن أن تصبح معيارًا أوليًا في الفراغ فائق الارتفاع دون أنظمة تدفق باهظة الثمن. عمليًا، هذا يعني أن معايرة مقاييس الضغط بالتأين قد تصبح أبسط وأرخص، وسلسلة التتبع إلى الباسكال ستُختصر.
تحدد خارطة الطريق عدة اتجاهات. أولاً، تحسين دقة قياس تردد الفقد من خلال طرق قراءة غير مدمرة (تصوير تباين الطور، دوران فاراداي) وتحسين الإحصائيات. ثانيًا، تطوير النظرية لتقليل عدم اليقين في حسابات معاملات المعدل إلى أقل من 0.1%، بما في ذلك مراعاة التصحيحات غير الأدياباتيكية والتعلم الآلي لتحليل الجهود. ثالثًا، توسيع نطاق الضغط لأعلى للتداخل مع مقاييس الانكسار فابري-بيرو، التي تعمل عند ضغوط أعلى من عدة ملي باسكال. أخيرًا، يُخطط لتقييم حدود الفرضية الشاملة كميًا ودراسة الغازات المعقدة مثل الماء والميثان.
ستؤثر هذه التقنية على قياس الفراغ، والحوسبة الكمومية (التحكم في الضغط المتبقي في حجرات ذرات ريدبرغ)، وعلوم المواد (قياس انبعاث الغازات). يمكن لمصنعي أجهزة استشعار الفراغ استخدام CAVS كمعيار داخلي للمعايرة.
تشمل الخطوات التالية قياسات مستقلة لمعاملات المعدل للأرجون والكريبتون، حيث توجد اختلافات، وتطوير أجهزة CAVS محمولة بسعر أقل من 200,000 دولار. من الضروري أيضًا دراسة سلوك المستشعر عند ضغوط منخفضة للغاية، حيث تبدأ خسائر ماجورانا والتصادمات بين الذرات الباردة في الهيمنة.
بالنسبة لقياس الفراغ، المشكلة الرئيسية غير المحلولة هي عدم وجود معيار أولي في النطاق أقل من 10^-6 باسكال بعدم يقين أفضل من 1%. يعالج CAVS هذه المشكلة مباشرة، لكن تبقى أسئلة حول تأثير التصادمات المنزلقة، واختيار الذرة المثالية كجهاز استشعار، والدقة النظرية للمعاملات للجزيئات المعقدة.
مصدر الليثيوم في CAVS بارد جدًا لدرجة أن ضغط بخاره عند درجة حرارة الغرفة أقل من 10^-16 باسكال، وهو أقل بمقدار 10^12 مرة من ضغط بخار الروبيديوم. جرام واحد من الروبيديوم في فرن ذري يمكن أن يوفر تدفقًا ذريًا قدره 10^8 ذرة في الثانية لأكثر من مائة عام.
فكرة مستشعر يستشعر التصادمات الفردية مع الجزيئات تذكرنا بماسحات الغلاف الجوي في رواية «الكثيب» لفرانك هربرت، حيث تلتقط الأجهزة الحساسة أدق التغيرات في تكوين الهواء.