En la metrología de presión, los estándares mecánicos han dominado durante cien años: manómetros de mercurio y manómetros de pistón con pesos. Son buenos cerca de la presión atmosférica, pero su precisión cae rápidamente al avanzar hacia el vacío ultraalto (UHV, por debajo de 10^-6 Pa). Los estándares existentes para UHV, como los estándares de flujo a través de diafragma, son caros y complejos, y los manómetros de ionización son inestables. Tras la redefinición del SI en 2019, el pascal puede realizarse mediante la medición de la densidad de partículas y la temperatura, lo que abrió el camino a sensores fundamentalmente nuevos. El trabajo con átomos fríos se inscribe en la corriente general de los sensores cuánticos, de los que hablan los artículos vecinos: termómetros cuánticos, compresión cuántica y brújulas atómicas. Pero aquí los átomos no se utilizan para medir campos o tiempo, sino como sondas de presión en la cámara de vacío.
El sensor funciona así: una nube de 10^5 átomos de litio o rubidio se enfría con láser hasta decenas de microkelvin y se mantiene en una trampa magnética poco profunda (profundidad de aproximadamente 1 mK). Las moléculas del gas residual, que se mueven a velocidades correspondientes a la temperatura ambiente, chocan con los átomos fríos y los expulsan de la trampa. El número de átomos restantes se mide mediante fluorescencia después de diferentes tiempos de retención, y la tasa de pérdida se determina a partir de la velocidad de disminución. Esta tasa es proporcional a la densidad del gas de fondo y al coeficiente de velocidad de pérdida conocido, que se calcula desde los primeros principios de la mecánica cuántica de dispersión. Para los coeficientes se utilizan tres enfoques: cálculos cuánticos completos, un modelo universal de colisiones difractivas y la comparación con el estándar de flujo a través de diafragma.
Resultado clave: el sensor de vacío de átomos fríos (CAVS, por sus siglas en inglés) mide la presión con una incertidumbre relativa de aproximadamente 1–3% en el rango de 5×10^-9 Pa a 5×10^-5 Pa. Por ejemplo, en una de las demostraciones se midió una presión de 42(1) nPa. La comparación de los coeficientes de velocidad de pérdida medidos para 7Li con cálculos de primeros principios da concordancia dentro del 2% para la mayoría de los gases (H2, He, Ne, N2, Ar, Kr, Xe), excepto para el helio, donde la discrepancia alcanza el 3.6%. Para 87Rb, las discrepancias entre diferentes métodos llegan al 17%, lo que indica efectos sistemáticos subestimados. El modelo universal funciona bien para gases pesados, pero falla para los ligeros, como el H2. La comparación directa de dos CAVS independientes basados en 6Li y 87Rb confirmó la viabilidad del enfoque ratiométrico.
Este trabajo se sitúa en la periferia de los sensores cuánticos vecinos: estos miden campos, tiempo o temperatura, mientras que aquí los átomos se convierten en una herramienta de la metrología de vacío. La diferencia con los vecinos es que el sensor no requiere calibración con otro estándar de presión, ya que se basa en secciones eficaces cuánticas fundamentales. Es la primera tecnología capaz de convertirse en un patrón primario en UHV sin costosos sistemas de flujo. En la práctica, esto significa que la calibración de los manómetros de ionización podría volverse más simple y barata, y la cadena de trazabilidad al pascal se acortaría.
La hoja de ruta esboza varias direcciones. Primero, mejorar la precisión de la medición de la tasa de pérdida mediante métodos de lectura no destructivos (imagen de contraste de fase, rotación de Faraday) y optimización de la estadística. Segundo, desarrollar la teoría para reducir la incertidumbre de los cálculos de coeficientes de velocidad por debajo del 0.1%, incluyendo correcciones no adiabáticas y aprendizaje automático para analizar potenciales. Tercero, ampliar el rango de presiones hacia arriba para solaparse con los refractómetros de Fabry-Pérot, que operan a presiones superiores a unos pocos milipascales. Finalmente, se planea evaluar cuantitativamente los límites de la hipótesis universal e investigar gases complejos como el agua y el metano.
La tecnología afectará a la metrología de vacío, la computación cuántica (control de la presión residual en cámaras con átomos de Rydberg) y la ciencia de materiales (medición de la desgasificación). Los fabricantes de sensores de vacío podrán utilizar los CAVS como estándar interno para calibración.
Los próximos pasos incluyen mediciones independientes de los coeficientes de velocidad para argón y criptón, donde hay discrepancias, y el desarrollo de CAVS portátiles con un precio inferior a 200 000 dólares. También es necesario investigar el comportamiento del sensor a presiones ultrabajas, donde comienzan a dominar las pérdidas de Majorana y las colisiones entre átomos fríos.
Para la metrología de vacío, el problema clave no resuelto es la ausencia de un patrón primario en el rango por debajo de 10^-6 Pa con incertidumbre mejor que el 1%. El CAVS aborda directamente este problema, pero quedan preguntas sobre la influencia de las colisiones rasantes, la elección del átomo sensor óptimo y la precisión teórica de los coeficientes para moléculas complejas.
La fuente de litio en el CAVS es tan fría que la presión de su vapor a temperatura ambiente es inferior a 10^-16 Pa, que es 10^12 veces menor que la del rubidio. Un gramo de rubidio en un horno atómico puede proporcionar un flujo de átomos de 10^8 por segundo durante más de cien años.
La idea de un sensor que detecta colisiones individuales con moléculas resuena con los escáneres atmosféricos de 'Dune' de Frank Herbert, donde instrumentos sensibles captan los más mínimos cambios en la composición del aire.