Una trampa de Penning es un dispositivo para el almacenamiento de partículas cargadas mediante un campo magnético homogéneo y un campo eléctrico cuadrupolo . Se encuentra principalmente en las ciencias físicas y campos de estudio relacionados como herramienta para mediciones precisas de propiedades de iones y partículas subatómicas estables , como por ejemplo la masa, [1] rendimientos de fisión y relaciones de rendimiento isoméricos . Un objeto inicial de estudio fueron los llamados átomos de geonio, que representan una forma de medir el momento magnético del electrón almacenando un solo electrón. Estas trampas se han utilizado en la realización física de la computación cuántica y el procesamiento de información cuántica atrapando qubits . Las trampas Penning se utilizan en muchos laboratorios de todo el mundo, incluido el CERN , para almacenar e investigar antipartículas como los antiprotones . [2] Las principales ventajas de las trampas Penning son los tiempos de almacenamiento potencialmente largos y la existencia de una multitud de técnicas para manipular y detectar de forma no destructiva las partículas almacenadas. [3] [4] Esto hace que las trampas Penning sean herramientas versátiles para la investigación de partículas almacenadas, pero también para su selección, preparación o mero almacenamiento.
La trampa Penning lleva el nombre de FM Penning (1894-1953) por Hans Georg Dehmelt (1922-2017), quien construyó la primera trampa. Dehmelt se inspiró en el vacuómetro construido por FM Penning, donde una corriente a través de un tubo de descarga en un campo magnético es proporcional a la presión. Citando la autobiografía de H. Dehmelt: [5]
"Empecé a centrarme en la geometría de descarga del magnetrón/Penning, que, en el medidor de iones de Penning, ya había despertado mi interés en Göttingen y en Duke. En su trabajo de resonancia de ciclotrón de 1955 sobre fotoelectrones en el vacío, Franken y Liebes habían informado de cambios de frecuencia indeseables causado por atrapamiento accidental de electrones. Su análisis me hizo darme cuenta de que en un campo cuadrupolar eléctrico puro el cambio no dependería de la ubicación del electrón en la trampa. Esta es una ventaja importante sobre muchas otras trampas que decidí explotar. Una trampa de este tipo se había discutido brevemente en el libro de J.R. Pierce de 1949, y desarrollé una descripción simple de los movimientos axial, magnetrón y ciclotrón de un electrón en ella. Con la ayuda del experto soplador de vidrio del Departamento, Jake Jonson, I. Construí mi primera trampa de magnetrón de alto vacío en 1959 y pronto pude atrapar electrones durante unos 10 segundos y detectar resonancias axiales, de magnetrón y de ciclotrón ". – H. Dehmelt
H. Dehmelt compartió el Premio Nobel de Física en 1989 por el desarrollo de la técnica de la trampa de iones.
Las trampas Penning utilizan un campo magnético axial fuerte y homogéneo para confinar las partículas radialmente y un campo eléctrico cuadrupolo para confinar las partículas axialmente. [6] El potencial eléctrico estático se puede generar utilizando un conjunto de tres electrodos : un anillo y dos tapas finales. En una trampa de Penning ideal, el anillo y las tapas de los extremos son hiperboloides de revolución. Para atrapar iones positivos (negativos), los electrodos finales se mantienen a un potencial positivo (negativo) en relación con el anillo. Este potencial produce un punto de silla en el centro de la trampa, que atrapa iones a lo largo de la dirección axial. El campo eléctrico hace que los iones oscilen (armónicamente en el caso de una trampa de Penning ideal) a lo largo del eje de la trampa. El campo magnético en combinación con el campo eléctrico hace que las partículas cargadas se muevan en el plano radial con un movimiento que traza un epitrocoide .
El movimiento orbital de los iones en el plano radial se compone de dos modos en frecuencias que se denominan frecuencias de magnetrón y ciclotrón modificado . Estos movimientos son similares al deferente y al epiciclo , respectivamente, del modelo ptolemaico del sistema solar.
La suma de estas dos frecuencias es la frecuencia del ciclotrón , que depende únicamente de la relación entre carga eléctrica y masa y de la intensidad del campo magnético . Esta frecuencia se puede medir con mucha precisión y se puede utilizar para medir las masas de partículas cargadas. Muchas de las mediciones de masas de mayor precisión (masas del electrón , del protón , 2 H , 20 Ne y 28 Si ) provienen de trampas de Penning.
El enfriamiento con gas tampón , el enfriamiento resistivo y el enfriamiento por láser son técnicas para eliminar energía de los iones en una trampa Penning. El enfriamiento del gas amortiguador se basa en colisiones entre los iones y las moléculas de gas neutro que acercan la energía de los iones a la energía de las moléculas de gas. En el enfriamiento resistivo, las cargas de imágenes en movimiento en los electrodos se hacen trabajar a través de una resistencia externa, eliminando efectivamente energía de los iones. El enfriamiento por láser se puede utilizar para eliminar energía de algunos tipos de iones en las trampas Penning. Esta técnica requiere iones con una estructura electrónica adecuada . El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual los iones pierden energía creando ondas electromagnéticas en virtud de su aceleración en el campo magnético. Este proceso domina el enfriamiento de los electrones en las trampas de Penning, pero es muy pequeño y normalmente insignificante para partículas más pesadas.
El uso de la trampa Penning puede tener ventajas sobre la trampa de radiofrecuencia ( trampa Paul ). En primer lugar, en la trampa de Penning solo se aplican campos estáticos y, por lo tanto, no hay micromovimiento ni calentamiento resultante de los iones debido a los campos dinámicos, incluso para cristales de Coulomb de iones bidimensionales y tridimensionales extendidos. Además, la trampa Penning se puede agrandar manteniendo una fuerte captura. Luego, el ion atrapado puede mantenerse más alejado de las superficies de los electrodos. La interacción con los potenciales de parche en las superficies de los electrodos puede ser responsable de los efectos de calentamiento y decoherencia y estos efectos se escalan como una alta potencia de la distancia inversa entre el ion y el electrodo.
La espectrometría de masas por resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier (también conocida como espectrometría de masas por transformada de Fourier) es un tipo de espectrometría de masas que se utiliza para determinar la relación masa-carga (m/z) de iones en función de la frecuencia del ciclotrón de los iones en un campo magnético fijo. [7] Los iones quedan atrapados en una trampa de Penning donde son excitados a un radio de ciclotrón mayor mediante un campo eléctrico oscilante perpendicular al campo magnético. La excitación también da como resultado que los iones se muevan en fase (en un paquete). La señal se detecta como una imagen de corriente en un par de placas a las que pasa el paquete de iones mientras circulan por el ciclotrón. La señal resultante se denomina decaimiento de inducción libre (fid), transitoria o interferograma y consiste en una superposición de ondas sinusoidales . La señal útil se extrae de estos datos realizando una transformada de Fourier para dar un espectro de masas .
Los iones individuales se pueden investigar en una trampa de Penning mantenida a una temperatura de 4 K. Para ello, se segmenta el electrodo anular y se conectan los electrodos opuestos a una bobina superconductora y a la fuente y la puerta de un transistor de efecto de campo . La bobina y las capacidades parásitas del circuito forman un circuito LC con un Q de aproximadamente 50.000. El circuito LC se excita mediante un impulso eléctrico externo. Los electrodos segmentados acoplan el movimiento del electrón individual al circuito LC. Así, la energía en el circuito LC en resonancia con el ion oscila lentamente entre los muchos electrones (10000) en la puerta del transistor de efecto de campo y el electrón único. Esto se puede detectar en la señal en el drenaje del transistor de efecto de campo.
Un átomo de geonio es un sistema pseudoatómico que consta de un solo electrón o ion almacenado en una trampa de Penning que está "unido" al resto de la Tierra, de ahí el término "geonio". [8] El nombre fue acuñado por HG Dehmelt . [9]
En el caso típico, el sistema atrapado consta de una sola partícula o ion . Un sistema cuántico de este tipo está determinado por los estados cuánticos de una partícula , como en el átomo de hidrógeno . El hidrógeno consta de dos partículas, el núcleo y el electrón, pero el movimiento del electrón en relación con el núcleo es equivalente a una partícula en un campo externo, consulte el cuadro del centro de masa .
Las propiedades del geonio son diferentes a las de un átomo típico. La carga sufre un movimiento ciclotrón alrededor del eje de la trampa y oscila a lo largo del eje. Se aplica un "campo de botella" magnético no homogéneo para medir las propiedades cuánticas mediante la técnica "continua de Stern-Gerlach ". Los niveles de energía y el factor g de la partícula se pueden medir con alta precisión. [9] Van Dyck, et al. exploró la división magnética de los espectros de geonio en 1978 y en 1987 publicó mediciones de alta precisión de los factores g de electrones y positrones, que restringieron el radio de los electrones. [ cita necesaria ]
En noviembre de 2017, un equipo internacional de científicos aisló un solo protón en una trampa Penning para medir su momento magnético con la mayor precisión hasta la fecha. [10] Se descubrió que era2.792 847 344 62 (82) magnetones nucleares . El valor de CODATA 2018 coincide con esto. [11]
Debido a su capacidad para atrapar partículas cargadas únicamente con fuerzas electromagnéticas, las trampas de Penning se utilizan en la ciencia ficción como método para almacenar grandes cantidades de antimateria. En realidad, hacerlo requeriría un vacío de calidad significativamente mayor que el que se puede lograr actualmente.
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