September 27, 2022

Luar angkasa adalah kehampaan yang luas. Ini bukan ruang hampa yang sempurna—sejauh yang diketahui para astronom, konsep itu hanya ada dalam perhitungan teoretis dan film thriller Hollywood. Tapi selain dari sisa atom hidrogen yang mengambang, itu adalah sebuah vakum.

Itu penting karena di Bumi ini, sebagian besar dunia modern diam-diam bergantung pada vakum parsial. Lebih dari sekadar tempat bagi fisikawan untuk melakukan eksperimen yang menyenangkan, lingkungan berbasis mesin sangat penting untuk membuat banyak komponen elektronik di ponsel dan komputer mutakhir. Tetapi untuk benar-benar mengukur ruang hampa—dan memahami seberapa bagusnya di bidang manufaktur—para insinyur mengandalkan teknologi yang relatif dasar yang tersisa dari zaman tabung vakum sekolah lama.

[Related: What happens to your body when you die in space?]

Sekarang, beberapa tim sedang mengerjakan peningkatan. Penelitian terbaru telah membawa teknik baru—teknik yang mengandalkan fisika atom baru yang paling keren (sedingin -459 derajat Fahrenheit)—selangkah lebih dekat untuk digunakan sebagai metode standar.

“Ini adalah cara baru untuk mengukur vakum, dan saya pikir ini benar-benar revolusioner,” kata Kirk Madison, fisikawan di University of British Columbia di Vancouver.

Komparator massa presisi massa dalam vakum NIST. NIST

Apa yang ada di dalam ruang hampa?

Tampaknya sulit untuk mengukur apa pun, tetapi apa yang sebenarnya Anda lakukan adalah membaca tekanan gas di dalam ruang hampa—dengan kata lain, gaya yang diberikan oleh setiap atom yang tersisa pada ruang dengan baik. Jadi, mengukur ruang hampa benar-benar tentang menghitung tekanan dengan jauh lebih presisi daripada yang dapat dikelola oleh ahli meteorologi lokal Anda.

Saat ini, para insinyur mungkin melakukannya dengan alat yang disebut pengukur ion. Ini terdiri dari kawat spiral yang mengeluarkan elektron ketika dimasukkan ke dalam ruang vakum; elektron bertabrakan dengan atom gas dalam spiral, mengubahnya menjadi ion bermuatan. Pengukur kemudian membaca jumlah ion yang tersisa di dalam ruangan. Tetapi untuk menafsirkan angka itu, Anda perlu mengetahui komposisi berbagai gas yang Anda ukur, yang tidak selalu sederhana.

See also  FTC menggugat perusahaan yang melacak dan menjual data lokasi pengguna yang sensitif

Pengukur ion adalah sepupu teknologi tabung vakum, komponen yang menggerakkan radio antik dan komputer kolosal yang mengisi ruangan dan cerita fiksi ilmiah bubur sebelum pengembangan transistor silikon. “Mereka sangat tidak dapat diandalkan,” kata Stephen Eckel, fisikawan di Institut Nasional untuk Standar dan Teknologi (NIST). “Mereka membutuhkan kalibrasi ulang yang konstan.”

Alat pengukur vakum lainnya memang ada, tetapi pengukur ion adalah yang terbaik dalam mendapatkan pembacaan tekanan hingga sepersejuta Pascal (satuan standar tekanan). Meskipun ini mungkin tampak tidak perlu tepat, banyak produsen teknologi tinggi ingin membaca ketiadaan seakurat mungkin. Beberapa teknik umum untuk membuat komponen elektronik dan gadget seperti laser dan nanopartikel bergantung pada lapisan bahan yang halus di dalam ruang vakum. Teknik-teknik itu membutuhkan kekosongan materi murni untuk bekerja dengan baik.

Semakin murni voir, semakin sulit untuk mengidentifikasi atom yang tersisa, membuat pengukur ion semakin tidak dapat diandalkan. Di situlah atom beku masuk.

Bermain snooker dengan atom

Selama beberapa dekade fisikawan telah mengambil atom, berdenyut dengan laser yang disetel dengan baik, dan mengurungnya dalam sangkar magnet, semua untuk menjaga mereka tetap terperangkap pada suhu hanya sepersekian derajat di atas nol mutlak. Kedinginan memaksa atom, jika tidak biasa terbang, untuk duduk diam secara efektif sehingga fisikawan dapat melihat bagaimana mereka berperilaku.

Pada tahun 2009, Madison dan fisikawan lain di beberapa institusi di British Columbia mengamati atom rubidium dingin yang terperangkap—elemen dengan sifat psikrofilik—ketika susunan baru muncul pada mereka.

Misalkan Anda menempatkan perangkap penuh atom ultradingin di ruang vakum pada suhu kamar. Mereka akan menghadapi rentetan konstan atom yang lebih panas dan berenergi lebih tinggi yang tersisa di ruang hampa. Sebagian besar partikel hiruk pikuk akan menyelinap melalui perangkap magnet tanpa pemberitahuan, tetapi beberapa akan bertabrakan dengan atom yang terperangkap dan menipu mereka keluar dari perangkap.

See also  Lapisan es Antartika Timur dapat membawa kenaikan permukaan laut yang besar

Ini bukan pengukuran yang sempurna—tidak semua tumbukan akan berhasil mengeluarkan atom dari perangkap. Tetapi jika Anda mengetahui “kedalaman” (atau suhu) perangkap dan angka yang disebut penampang atom (pada dasarnya, ukuran kemungkinan tabrakan), Anda dapat mengetahui dengan cukup cepat berapa banyak atom yang memasuki bidang. Berdasarkan itu, Anda dapat mengetahui tekanan, bersama dengan berapa banyak materi yang tersisa di ruang hampa, Madison menjelaskan.

Metode seperti itu bisa memiliki beberapa keunggulan dibandingkan pengukur ion. Pertama, ini akan bekerja untuk semua jenis gas yang ada di ruang hampa, karena tidak ada reaksi kimia yang terjadi. Yang terpenting, karena fakta bahwa Anda membuat perhitungan dari bagaimana perilaku atom, tidak ada yang perlu dikalibrasi.

Pada awalnya, hanya sedikit orang di komunitas fisika yang memperhatikan terobosan yang dilakukan Madison dan rekan-rekannya. “Tidak ada yang percaya bahwa pekerjaan yang kami lakukan berdampak besar,” katanya. Tetapi dalam 13 tahun sejak itu, kelompok lain telah menggunakan teknologi itu sendiri. Di Cina, Institut Fisika Lanzhou telah mulai membangun versi mereka sendiri. Begitu juga dengan sebuah agensi di pemerintahan Jerman.

NIST adalah subjek tes terbaru dalam daftar. Ini adalah badan AS yang bertanggung jawab untuk memutuskan berat dan ukuran resmi negara tersebut, seperti kilogram resmi (ya, bahkan pemerintah AS menggunakan sistem SI). Salah satu tugas NIST selama beberapa dekade adalah untuk mengkalibrasi pengukur ion yang kuat karena produsen terus mengirimkannya. Cara baru para peneliti British Columbia menghadirkan jalan pintas yang menarik.

Insinyur NIST dalam polo dan kacamata merah menguji ruang vakum atom dingin perak
Sebagai bagian dari proyek pengujian metode atom ultra-dingin pengukuran vakum, ilmuwan NIST Stephen Eckel di belakang unit pCAVS (kubus berwarna perak di kiri tengah) yang terhubung ke ruang (silinder di kanan). C. Sule/NIST

Standar baru untuk apa-apa

Sistem NIST tidak persis seperti yang dibuat oleh kelompok Madison. Untuk satu, badan tersebut menggunakan atom lithium, yang jauh lebih kecil dan lebih ringan dari rubidium. Eckert, yang terlibat dalam proyek NIST, mengatakan bahwa atom-atom ini jauh lebih kecil kemungkinannya untuk tetap berada dalam perangkap setelah tumbukan. Tapi itu menggunakan prinsip dasar yang sama seperti eksperimen awal, yang mengurangi tenaga kerja karena tidak perlu dikalibrasi berulang-ulang.

See also  Burung yang tersengat listrik menyebabkan beberapa kebakaran hutan

“Jika saya keluar dan saya membangun salah satu dari hal-hal ini, lebih baik mengukur tekanan dengan benar,” kata Eckel. “Kalau tidak, itu bukan standar.”

NIST menguji sistem mereka dalam dua tahun terakhir. Untuk memastikannya bekerja, mereka membangun dua perangkat atom dingin yang identik dan menjalankannya di ruang vakum yang sama. Ketika mereka menyalakan perangkat, mereka kecewa menemukan bahwa keduanya menghasilkan pengukuran yang berbeda. Ternyata, ruang vakum telah mengalami kebocoran, memungkinkan gas atmosfer menetes masuk. “Setelah kami memperbaiki kebocoran, mereka setuju satu sama lain,” kata Eckel.

Sekarang sistem mereka tampaknya bekerja melawan dirinya sendiri, peneliti NIST ingin membandingkan atom ultra-dingin terhadap pengukur ion dan teknik kuno lainnya. Jika ini juga menghasilkan pengukuran yang sama, maka para insinyur mungkin akan segera dapat mendekati kehampaan dengan sendirinya.