진공을 측정하는 극저온 센서

(Schematic diagram of NIST vacuum sensor design. Credit: Daniel Barker/NIST)

 미 표준기술 연구소 (National Institute of Standards and Technology, NIST)의 과학자들이 우주 공간이나 다를 바 없는 극도의 진공 상태를 정확히 측정할 수 있는 소형 측정기를 개발했습니다. 반도체 제조 공정을 포함한 여러 정밀 산업 부분이나 실험실 환경에서는 극도의 진공 상태를 유지할 필요가 있습니다. 이 경우 종종 해수면에서의 대기압의 1000억분의 1의 기압을 유지하는 경우도 있습니다. 

 문제는 이렇게 되면 과연 얼마나 진공 상태인지 어떻게 측정할 수 있느냐입니다. 일반적인 기압계는 높은 진공 수준에서는 기체 분자 자체가 기압계에 부딪히지도 않기 때문에 측정이 불가능합니다. 결국 레이저를 이용해서 개별적인 분자나 이온의 존재를 증명해서 측정할 수밖에 없는데, 이 역시 정밀도가 문제가 됩니다. 

 NIST의 연구팀이 개발한 cold-atom vacuum standard (CAVS)의 소형화 버전인 p-CAVS는 극도로 희박한 진공 상태를 측정할 수 있는 새로운 극저온 센서입니다. 과거 사용된 CAVS는 6개의 레이저가 필요해 크기가 커질 수밖에 없었지만, 이 새로운 p-CAVS는 한 개의 레이저를 이용해서 측정이 가능하다고 합니다. 측정 원리는 magneto-optical trap (MOT)이라는 방식으로 레이저를 이용해서 원자의 존재를 증명하는 것으로 상세한 내용은 복잡하지만, 기압계로는 절대 측정할 수 없는 매우 희박한 원자의 존재를 확인할 수 있습니다. 

 p-CAVS는 크기가 작아 매우 작은 실험 공간이나 제조 공정에 통합할 수 있으며 국제 유인 우주 정거장 주변의 진공 상태인 ultrahigh-high vacuum (UHV)이나 달 표면에서 멀리 떨어진 장소의 진공 수준인 extreme-high vacuum (XHV)에서 진공 수준을 상세하게 측정이 가능합니다. 극도의 진공 수준을 유지해야 하는 미세 반도체 공정이나 특수 화학 제조 공정, 그리고 다양한 과학실험에서 유용하게 사용될 것으로 기대됩니다. 본래 NIST가 그런 연구를 하는 곳이긴 하지만, 아무튼 첨단 기술의 극단을 보여주는 사례 가운데 하나로 생각됩니다. 

 참고 

  

More information: Stephen Eckel et al, Challenges to miniaturizing cold atom technology for deployable vacuum metrology, Metrologia (2018). DOI: 10.1088/1681-7575/aadbe4

 https://phys.org/news/2018-10-ultracold-atoms-pressure.html#jCp