trampa de iones

Dispositivo para atrapar partículas cargadas.

Una trampa de iones, utilizada para mediciones precisas de iones de radio, dentro de una cámara de vacío. Los puertos de visualización que rodean la cámara permiten que la luz láser se dirija hacia la trampa.

Una trampa de iones es una combinación de campos eléctricos y/o magnéticos utilizados para capturar partículas cargadas, conocidas como iones , a menudo en un sistema aislado de un entorno externo. Las trampas de iones atómicos y moleculares tienen una serie de aplicaciones en física y química, como espectrometría de masas de precisión , estándares de frecuencia atómica mejorados y computación cuántica . ^[1] En comparación con las trampas de átomos neutros, las trampas de iones tienen potenciales de captura más profundos (hasta varios electronvoltios ) que no dependen de la estructura electrónica interna de un ión atrapado. Esto hace que las trampas de iones sean más adecuadas para el estudio de las interacciones de la luz con sistemas atómicos individuales. Los dos tipos más populares de trampas de iones son la trampa de Penning , que forma un potencial mediante una combinación de campos eléctricos y magnéticos estáticos, y la trampa de Paul , que forma un potencial mediante una combinación de campos eléctricos estáticos y oscilantes. ^[2]

Las trampas Penning se pueden utilizar para mediciones magnéticas precisas en espectroscopia. Los estudios de manipulación de estados cuánticos utilizan con mayor frecuencia la trampa de Paul. Esto puede conducir a una computadora cuántica de iones atrapados ^[3] y ya se ha utilizado para crear los relojes atómicos más precisos del mundo . ^{[4] [5]} Los cañones de electrones (un dispositivo que emite electrones de alta velocidad, utilizados en CRT ) pueden usar una trampa de iones para evitar la degradación del cátodo por iones positivos.

Historia

Los principios físicos de las trampas de iones fueron explorados por primera vez por FM Penning (1894-1953), quien observó que los electrones liberados por el cátodo de un vacuómetro de ionización siguen un largo camino cicloidal hasta el ánodo en presencia de un campo magnético suficientemente fuerte. ^[6] W. Paul desarrolló un esquema para confinar partículas cargadas en tres dimensiones sin el uso de campos magnéticos basándose en su trabajo con espectrómetros de masas cuadrupolos .

Las trampas de iones se utilizaban en receptores de televisión antes de la introducción de las caras de CRT aluminizadas alrededor de 1958, para proteger la pantalla de fósforo de los iones. ^[7] La ​​trampa de iones debe ajustarse con delicadeza para obtener el máximo brillo. ^{[8] [9]}

Teoría

Ión atrapado con ejes de movimiento. El ion se muestra con los electrodos de confinamiento radial de una trampa de Paul lineal . El movimiento axial (flecha roja) es paralelo a los electrodos radiales y el movimiento radial tiene lugar en el plano indicado por las flechas verdes. En una trampa de Paul, el movimiento axial está limitado por un campo estático y el movimiento radial por un campo oscilante. En una trampa de Penning, el movimiento axial está limitado por el campo eléctrico estático y el movimiento radial está limitado por el campo magnético estático.

Cualquier partícula cargada, como un ion , siente una fuerza de un campo eléctrico o magnético. Las trampas de iones funcionan utilizando esta fuerza para confinar iones en un volumen de espacio pequeño y aislado para que puedan estudiarse o manipularse. Aunque cualquier campo electromagnético estático (constante en el tiempo) produce una fuerza sobre un ion, no es posible confinar un ion utilizando únicamente un campo eléctrico estático. Esta es una consecuencia del teorema de Earnshaw . Sin embargo, los físicos tienen varias formas de solucionar este teorema mediante el uso de combinaciones de campos eléctricos y magnéticos estáticos (como en una trampa de Penning ) o mediante un campo eléctrico oscilante y un campo eléctrico estático ( trampa de Paul ). El movimiento y confinamiento de los iones en la trampa generalmente se divide en componentes axiales y radiales, que normalmente se abordan por separado en diferentes campos. Tanto en las trampas de Paul como en las de Penning, el movimiento axial de los iones está confinado por un campo eléctrico estático. Las trampas de Paul utilizan un campo eléctrico oscilante para confinar el ion radialmente y las trampas de Penning generan un confinamiento radial con un campo magnético estático.

Pablo trampa

Una trampa de Paul que utiliza un campo cuadrupolar oscilante para atrapar iones radialmente y un potencial estático para confinar iones axialmente. El campo cuadripolar se realiza mediante cuatro electrodos paralelos colocados en el eje colocado en las esquinas de un cuadrado en el plano. Se conectan electrodos diagonalmente opuestos entre sí y se aplica un voltaje de CA. Utilizando las ecuaciones de Maxwell , el campo eléctrico producido por este potencial es campo eléctrico . Aplicando la segunda ley de Newton a un ion de carga y masa en este campo eléctrico de CA, podemos encontrar la fuerza sobre el ion usando . terminamos con ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle xy}$ ${\displaystyle V=V_{0}\cos(\Omega t)}$ ${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}\sin(\Omega t)}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle \mathbf {F} =e\mathbf {E} }$

${\displaystyle M\mathbf {\ddot {r}} =e\mathbf {E} _{0}\sin(\Omega t)\!}$.

Suponiendo que el ion tiene velocidad inicial cero, dos integraciones sucesivas dan la velocidad y el desplazamiento como

${\displaystyle \mathbf {\dot {r}} ={\frac {e\mathbf {E} _{0}}{M\Omega }}\cos(\Omega t)\!}$,

${\displaystyle \mathbf {r} =\mathbf {r} _{0}-{\frac {e\mathbf {E} _{0}}{M\Omega ^{2}}}\sin(\Omega t)\!}$,

donde es una constante de integración. Por tanto, el ion oscila con frecuencia angular y amplitud proporcional a la intensidad del campo eléctrico y está confinado radialmente. ${\displaystyle \mathbf {r} _{0}}$ ${\displaystyle \Omega }$

Trabajando específicamente con una trampa de Paul lineal, podemos escribir ecuaciones de movimiento más específicas. A lo largo del eje -, un análisis de la simetría radial produce un potencial ^[10] ${\displaystyle z}$

${\displaystyle \phi =\alpha +\beta (x^{2}-y^{2})\!}$.

Las constantes y están determinadas por las condiciones de contorno de los electrodos y satisfacen la ecuación de Laplace . Suponiendo que la longitud de los electrodos es mucho mayor que su separación , se puede demostrar que ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r_{0}}$

${\displaystyle \phi =\phi _{0}+{\frac {V_{0}}{2r_{0}^{2}}}\cos(\Omega t)(x^{2}-y^{2})\!}$.

Como el campo eléctrico está dado por el gradiente del potencial, obtenemos que

${\displaystyle \mathbf {E} =-{\frac {V_{0}}{r_{0}^{2}}}\cos(\Omega t)(x\mathbf {\hat {e}} _{x}-y\mathbf {\hat {e}} _{y})\!}$.

Definiendo , las ecuaciones de movimiento en el plano son una forma simplificada de la ecuación de Mathieu , ${\displaystyle \tau =\Omega t/2}$ ${\displaystyle xy}$

${\displaystyle {\frac {d^{2}x_{i}}{d\tau ^{2}}}=-{\frac {4eV_{0}}{Mr_{0}^{2}\Omega ^{2}}}\cos(2\tau )x_{i}\!}$.

Trampa de corral

La trayectoria radial de un ion en una trampa de Penning; la relación entre la frecuencia del ciclotrón y la frecuencia del magnetrón es . ${\displaystyle \omega _{c}/\omega _{m}=10/1}$

Una configuración estándar para una trampa Penning consta de un electrodo de anillo y dos tapas de extremo. Un diferencial de voltaje estático entre el anillo y las tapas de los extremos confina los iones a lo largo de la dirección axial (entre las tapas de los extremos). Sin embargo, como se esperaba del teorema de Earnshaw , el potencial eléctrico estático no es suficiente para atrapar un ion en las tres dimensiones. Para proporcionar confinamiento radial, se aplica un fuerte campo magnético axial.

Para un campo eléctrico uniforme , la fuerza acelera un ion cargado positivamente a lo largo del eje. Para un campo magnético uniforme , la fuerza de Lorentz hace que el ion se mueva en movimiento circular con frecuencia de ciclotrón. ${\displaystyle \mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}}$ ${\displaystyle \mathbf {F} =e\mathbf {E} }$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}}$

${\displaystyle \omega _{c}={\frac {eB}{M}}\!}$.

Suponiendo un ion con velocidad inicial cero colocado en una región con y , las ecuaciones de movimiento son ${\displaystyle \mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}}$ ${\displaystyle \mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}}$

${\displaystyle x={\frac {E}{\omega _{c}B}}(1-\cos(\omega _{c}t))\!}$,

${\displaystyle y=-{\frac {E}{\omega _{c}B}}(\omega _{c}t-\sin(\omega _{c}t))\!}$,

${\displaystyle z=0\!}$.

El movimiento resultante es una combinación de movimiento oscilatorio alrededor del eje con frecuencia y una velocidad de deriva en la dirección. La velocidad de deriva es perpendicular a la dirección del campo eléctrico. ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle \omega _{c}}$ ${\displaystyle y}$

Para el campo eléctrico radial producido por los electrodos en una trampa de Penning, la velocidad de deriva precederá alrededor de la dirección axial con alguna frecuencia , llamada frecuencia del magnetrón. Un ion también tendrá una tercera frecuencia característica entre los dos electrodos de la tapa del extremo. Las frecuencias suelen tener valores muy diferentes con . ^[11] ${\displaystyle \omega _{m}}$ ${\displaystyle \omega _{z}}$ ${\displaystyle \omega _{z}\ll \omega _{m}<\ll \omega _{c}}$

Espectrómetros de masas con trampa de iones

Un componente de trampa de iones lineal de un espectrómetro de masas.

Un espectrómetro de masas con trampa de iones puede incorporar una trampa de Penning ( resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier ), ^[12] trampa de Paul ^[13] o la trampa de Kingdon . ^[14] La Orbitrap , introducida en 2005, se basa en la trampa Kingdon. ^[15] Otros tipos de espectrómetros de masas también pueden utilizar una trampa de iones cuadrupolo lineal como filtro de masas selectivo.

Trampa de iones Penning

Espectrómetro de masas FTICR: un ejemplo de instrumento de trampa de Penning

Una trampa de Penning almacena partículas cargadas utilizando un fuerte campo magnético axial homogéneo para confinar las partículas radialmente y un campo eléctrico cuadrupolo para confinar las partículas axialmente. ^[16] Las trampas Penning son muy adecuadas para medir las propiedades de iones y partículas subatómicas cargadas estables . Los estudios de precisión del momento magnético del electrón realizados por Dehmelt y otros son un tema importante en la física moderna.

Las trampas de Penning se pueden utilizar en computación cuántica y procesamiento de información cuántica ^[17] y se utilizan en el CERN para almacenar antimateria. "Las trampas de Penning forman la base de la espectrometría de masas de resonancia ciclotrón de iones de transformada de Fourier para determinar la relación masa-carga de iones" . ^[18]

La trampa Penning fue inventada por Frans Michel Penning y Hans Georg Dehmelt , quienes construyeron la primera trampa en la década de 1950. ^[19]

Trampa de iones de Paul

Diagrama esquemático del espectrómetro de masas con trampa de iones con una fuente de ionización por electropulverización (ESI) y trampa de iones de Paul.

Una trampa de Paul es un tipo de trampa de iones cuadrupolo que utiliza campos eléctricos oscilantes de corriente continua estática (CC) y radiofrecuencia (RF) para atrapar iones. Las trampas de Paul se utilizan comúnmente como componentes de un espectrómetro de masas . La invención de la trampa de iones cuadrupolo 3D se atribuye a Wolfgang Paul , quien compartió el Premio Nobel de Física en 1989 por este trabajo. ^{[20] [21]} La trampa consta de dos electrodos metálicos hiperbólicos con sus focos uno frente al otro y un electrodo de anillo hiperbólico a medio camino entre los otros dos electrodos. Los iones quedan atrapados en el espacio entre estos tres electrodos por los campos eléctricos oscilantes y estáticos.

Trampa Kingdon y Orbitrap

Sección transversal parcial del analizador de masas Orbitrap: un ejemplo de trampa Kingdon.

Una trampa Kingdon consta de un alambre central delgado, un electrodo cilíndrico exterior y electrodos de tapa aislados en ambos extremos. Una tensión estática aplicada da como resultado un potencial logarítmico radial entre los electrodos. ^[22] En una trampa Kingdon no existe un mínimo potencial para almacenar los iones; sin embargo, se almacenan con un momento angular finito alrededor del cable central y el campo eléctrico aplicado en el dispositivo permite la estabilidad de las trayectorias de los iones. ^[23] En 1981, Knight introdujo un electrodo exterior modificado que incluía un término cuadrupolo axial que confina los iones en el eje de la trampa. ^[24] La trampa Kingdon dinámica tiene un voltaje de CA adicional que utiliza un fuerte desenfoque para almacenar permanentemente partículas cargadas. ^[25] La trampa Kingdon dinámica no requiere que los iones atrapados tengan momento angular con respecto al filamento. Un Orbitrap es una trampa Kingdon modificada que se utiliza para espectrometría de masas . Aunque se sugirió la idea y se realizaron simulaciones por computadora ^[26], no se informó que las configuraciones Kingdon ni Knight produjeran espectros de masas, ya que las simulaciones indicaron que el poder de resolución de masas sería problemático.

Computadora cuántica de iones atrapados

Algunos trabajos experimentales para desarrollar computadoras cuánticas utilizan iones atrapados . Las unidades de información cuántica llamadas qubits se almacenan en estados electrónicos estables de cada ion, y la información cuántica puede procesarse y transferirse mediante el movimiento colectivo cuantificado de los iones, interactuando mediante la fuerza de Coulomb . Los láseres se aplican para inducir el acoplamiento entre los estados de qubit (para operaciones de un solo qubit) o ​​entre los estados de qubit internos y los estados de movimiento externos (para entrelazamiento entre qubits).

Ver también

• Enfriamiento por láser
• Espectrometría de masas
• salto cuántico

Referencias

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2. D. Leibfried; R. Blatt; C. Monroe; D. Wineland (2003). "Dinámica cuántica de iones individuales atrapados". Reseñas de Física Moderna . 75 (1): 281–324. Código Bib : 2003RvMP...75..281L. doi :10.1103/RevModPhys.75.281.
3. R. Blatt; DJ Wineland (2008). "Estados entrelazados de iones atómicos atrapados" (PDF) . Naturaleza . 453 (7198): 1008–1014. Código Bib : 2008Natur.453.1008B. doi : 10.1038/naturaleza07125. PMID  18563151. S2CID  316118.
4. T. Rosenband; DB Hume; PO Schmidt; CW Chou; A. Brusch; L. Lorini; WH Oskay; RE Drullinger; TM Fortier; JE Stalnaker; SA Diddams; WC Swann; NR Newbury; WM Itano; DJ Wineland; JC Bergquist (2008). "Relación de frecuencia de relojes ópticos de ión único de Al+ y Hg+; metrología en el decimoséptimo lugar decimal" (PDF) . Ciencia . 319 (5871): 1808–1812. Código Bib : 2008 Ciencia... 319.1808R. doi : 10.1126/ciencia.1154622. PMID  18323415. S2CID  206511320.
5. Cervecero SM; J.-S. Chen; AM Hankin; ER Clementos; CW Chou; DJ Wineland; DB Hume; DR Leibrandt (2019). "Reloj de lógica cuántica Al + con una incertidumbre sistemática inferior a 10 ^ -18". Física. Rev. Lett . 123 (3): 033201. arXiv : 1902.07694 . Código bibliográfico : 2019PhRvL.123c3201B. doi :10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID  31386450. S2CID  119075546.
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7. Hartson, Ted (2004). "Cómo el mundo cambió la televisión" (PDF) . Consultado el 13 de octubre de 2008 .
8. Imán para trampas de iones de tubos de rayos catódicos
9. Trampa de iones para un tubo de rayos catódicos
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enlaces externos

• VIAS Science Cartoons Una vista irritable de una trampa de iones...
• trampa de pablo