文章來源：物理研究更新

原文作者：大鍋天眼

真空壓力是指在一個封閉的容器中，幾乎沒有任何物質存在時，容器壁上所受到的壓力。這種壓力是由于容器內部存在著一些殘余的氣體分子或其他微粒，它們不斷地與容器壁發生碰撞而產生的。真空壓力越低，說明容器內部越接近完全沒有物質的狀態。真空壓力的測量對于許多科學和工程領域都非常重要，比如基礎物理實驗、半導體制造、航天技術等。然而，真空壓力的測量并不容易，因為它涉及到非常微小的力和非常稀薄的氣體。

目前，有許多不同類型的真空計可以用來測量真空壓力，比如熱導真空計、電離真空計、靜電真空計等。這些真空計都有各自的優缺點，比如測量范圍、靈敏度、穩定性、可靠性等。然而，這些真空計都有一個共同的問題，就是它們都需要經過校準才能給出準確的讀數。

校準就是指用一個已知的標準來比較和調整真空計的輸出信號。這個標準通常是一個動態膨脹系統(DES)，它可以利用一個已知流量的氣體來產生一個已知密度和溫度的氣體，并將其與真空計相連。通過測量DES中氣體密度和溫度的變化，可以得到相應的壓力值，并與真空計進行比較。

然而，DES也有自己的不確定性和誤差來源，比如流量計、溫度計、密封性等。因此，人們一直在尋找一種更加精確和可靠的方法來測量真空壓力，而不需要依賴于任何外部標準或校準。這就是一篇新論文所提出的基于量子的冷原子真空標準(CAVS)所要做到的。

CAVS的基本原理是利用超冷原子在磁場中形成一個保守勢阱，并觀察它們與背景氣體分子發生碰撞時從勢阱中逸出(損失)的速率。每次碰撞都會使一個超冷原子獲得足夠大的能量，使其超過勢阱的勢壘，從而逃逸出去。因此，超冷原子的損失率與背景氣體的密度成正比，而背景氣體的密度又與真空壓力成正比。因此，如果我們知道了超冷原子的損失率和背景氣體的種類，我們就可以通過一個簡單的公式來計算真空壓力：p=Γ/(LkT)。

其中p是真空壓力，Γ是超冷原子的損失率，L是碰撞損失率系數，k是玻爾茲曼常數，T是背景氣體的溫度。這個公式看起來很簡單，但是它其實包含了很多量子力學的知識和技巧。首先，我們需要知道如何制備和測量超冷原子。其次，我們需要知道如何計算或測量碰撞損失率系數L，它是一個與碰撞雙方的性質和相對速度有關的量。最后，我們需要知道如何控制和測量背景氣體的密度和溫度。

研究人員使用了兩種不同的超冷原子：7Li和87Rb，并分別與六種不同的背景氣體：He, Ne, N?, Ar, Kr和Xe進行了碰撞實驗。他們使用了一個特殊設計的DES來設置一個已知密度和溫度的背景氣體，并將其與一個磁光阱(MOT)相連。MOT是一種常用的制備和捕獲超冷原子的裝置，它利用激光和磁場來對原子進行冷卻和約束。

他們通過測量MOT中超冷原子數量隨時間的衰減曲線，來得到超冷原子的損失率Γ。他們還使用了一個高分辨率的光譜儀來測量背景氣體的溫度T。他們還使用了一個質譜儀來測量背景氣體的種類和密度。他們還使用了一個數值模擬的方法來計算碰撞損失率系數L，它是一個與碰撞雙方的性質和相對速度有關的量。他們考慮了不同的碰撞過程，比如彈性碰撞、非彈性碰撞、化學反應等，并根據量子力學的原理，計算了每種過程對超冷原子損失率的貢獻。

通過這些實驗和計算，他們得到了一系列的數據和結果，它們展示了超冷原子損失率與背景氣體種類、密度和溫度之間的關系。基于這些結果，他們提出了一種基于量子的冷原子真空標準，它可以用來測量真空壓力而不需要任何外部標準或校準。

審核編輯：湯梓紅