Cross-calibration of atomic pressure sensors and deviation from quantum diffractive collision universality for light particles

Abstract

Abstract The room-temperature, velocity-averaged, total cross section for atom–atom and atom–molecule collisions can be approximated using a universal function depending only on the magnitude of the leading order dispersion coefficient, C 6 . This feature of the total cross section together with the universal function for the energy distribution transferred by glancing angle collisions ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>QDU6</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> (Booth et al 2019 New J. Phys. 21 102001)) can be used to empirically determine the total collision cross section and realize a self-calibrating, vacuum pressure standard. This was previously validated for Rb+N 2 and Rb+Rb collisions. However, the post-collision energy distribution is expected to deviate from <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>QDU6</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> in the limit of small C 6 and small reduced mass. Here we observe this deviation experimentally by performing a direct cross-species loss rate comparison for Rb+H 2 and Li+H 2 collisions. We measure a velocity averaged total collision cross section ratio of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>tot</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Li+H</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>tot</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Rb+H</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.83</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:math> . Based on an ab initio computation of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>tot</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Li+H</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>3.104</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>15</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> m 3 s −1 , we deduce <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟨</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>tot</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mo fence="false" stretchy="false">⟩</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>Rb+H</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>3.6</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:m

Topics & Concepts