Pułapka jonowa - Ion trap

Ten artykuł dotyczy jonów w fazie gazowej. Informacje na temat jonów w komórkach można znaleźć w sekcji Pułapka jonów .
Pokazana tutaj pułapka jonowa służy do eksperymentów mających na celu skonstruowanie komputera kwantowego.

Pułapka jonowa jest połączenie pól elektrycznych lub magnetycznych stosowanych do wychwytywania cząstek naładowanych - znanych jako jony - często w systemie odizolowane od środowiska zewnętrznego. Pułapki jonowe mają szereg zastosowań naukowych, takich jak spektrometria mas , podstawowe badania fizyczne i kontrolowanie stanów kwantowych. Dwa najpowszechniejsze typy pułapek jonowych to pułapka Penninga , która tworzy potencjał poprzez połączenie pól elektrycznych i magnetycznych, oraz pułapka Paula, która tworzy potencjał poprzez połączenie statycznych i oscylujących pól elektrycznych.

Pułapki Penninga mogą być używane do precyzyjnych pomiarów magnetycznych w spektroskopii. Badania manipulacji stanami kwantowymi najczęściej wykorzystują pułapkę Paula. Może to prowadzić do uwięzionego komputera kwantowego jonów i zostało już wykorzystane do stworzenia najdokładniejszych zegarów atomowych na świecie . Pistolety elektronowe (urządzenie emitujące szybkie elektrony, stosowane w kineskopach ) mogą wykorzystywać pułapkę jonową, aby zapobiec degradacji katody przez jony dodatnie.

Spektrometry masowe z pułapką jonową

Składnik liniowej pułapki jonowej spektrometru mas.

Spektrometr mas z pułapką jonową może zawierać pułapkę Penninga ( rezonans cyklotronowy z transformacją Fouriera ), pułapkę Paula lub pułapkę Kingdona . Orbitrap , wprowadzony w 2005 roku, opiera się na pułapkę kingdon. Inne typy spektrometrów mas mogą również wykorzystywać liniową kwadrupolową pułapkę jonową jako selektywny filtr masowy.

Pułapka jonowa Penninga

Spektrometr mas FTICR - przykład przyrządu do pułapki Penninga.

Penning pułapki przechowuje naładowanych cząstek z użyciem mocnej jednorodnej osiowego pola magnetycznego do cząstek ograniczyć promieniowo kwadrupolowego pola elektrycznego do unieruchamiania cząsteczek osiowo. Pułapki Penninga dobrze nadają się do pomiarów właściwości jonów i stabilnych naładowanych cząstek subatomowych . Precyzyjne badania momentu magnetycznego elektronu przez Dehmelta i innych stanowią ważny temat współczesnej fizyki.

Penning Pułapki można stosować w obliczeniach kwantowych i przetwarzania informacji kwantowej i stosowane są w CERN do przechowywania antymaterii. Penning pułapki stanowią podstawę transformaty Fouriera spektrometrii masowej jonów rezonansu cyklotronowego dla określenia stosunku masy do ładunku z jonów .

Pułapka Penninga została wynaleziona przez Fransa Michela Penninga i Hansa Georga Dehmelta , którzy zbudowali pierwszą pułapkę w latach 50.

Pułapka jonowa Pawła

Schematyczny diagram spektrometru mas z pułapką jonową ze źródłem jonizacji przez elektrorozpylanie (ESI) i pułapką jonową Paula.

Paul pułapka jest rodzajem liniowa pułapka jonowa , który wykorzystuje statyczny prądu stałego (DC) i częstotliwości radiowej (RF) oscylującego pola elektrycznego jonów pułapkę. Pułapki Paula są powszechnie używane jako elementy składowe spektrometru mas . Samo wynalezienie kwadrupolowej pułapki jonowej 3D przypisuje się Wolfgangowi Paulowi, który w 1989 r. Otrzymał za tę pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki . Pułapka składa się z dwóch hiperbolicznych elektrod metalowych z ogniskami skierowanymi do siebie oraz hiperbolicznej elektrody pierścieniowej w połowie odległości między dwoma pozostałymi elektrodami. Jony są uwięzione w przestrzeni między tymi trzema elektrodami przez oscylujące i statyczne pola elektryczne.

Pułapka Kingdona i orbitrapa

Częściowy przekrój przez analizator masy Orbitrap - przykład pułapki Kingdona.

Pułapka Kingdona składa się z cienkiego centralnego drutu, zewnętrznej cylindrycznej elektrody i izolowanych elektrod nasadkowych na obu końcach. Statyczne napięcie przyłożone powoduje powstanie promieniowego potencjału logarytmicznego między elektrodami. W pułapce Kingdona nie ma potencjalnego minimum do przechowywania jonów; jednakże są one przechowywane ze skończonym momentem pędu wokół centralnego przewodu, a przyłożone pole elektryczne w urządzeniu pozwala na stabilność trajektorii jonów. W 1981 roku Knight wprowadził zmodyfikowaną elektrodę zewnętrzną, która zawierała osiowy kwadrupol, który ogranicza jony na osi pułapki. Dynamiczna pułapka Kingdona ma dodatkowe napięcie AC, które wykorzystuje silne rozogniskowanie, aby trwale przechowywać naładowane cząstki. Dynamiczna pułapka Kingdona nie wymaga, aby uwięzione jony miały moment pędu względem włókna. Orbitrap jest zmodyfikowaną pułapka Kingdon który stosuje się do spektrometrii masowej . Chociaż pomysł został zasugerowany, a symulacje komputerowe nie przeprowadziły ani konfiguracji Kingdona, ani Knighta, nie dały widm masowych, ponieważ symulacje wykazały, że zdolność rozdzielcza masy byłaby problematyczna.

Lampy katodowe

Główny artykuł: kineskop

Pułapki jonowe były używane w odbiornikach telewizyjnych przed wprowadzeniem aluminiowanych powierzchni CRT około 1958 r., Aby chronić ekran fosforowy przed jonami. Pułapka jonowa musi być delikatnie wyregulowana, aby uzyskać maksymalną jasność.

Komputer kwantowy jonów uwięzionych

Główny artykuł: komputer kwantowy jonów uwięzionych

Niektóre prace eksperymentalne mające na celu opracowanie komputerów kwantowych wykorzystują uwięzione jony . Jednostki informacji kwantowej zwane kubitami są przechowywane w stabilnych stanach elektronicznych każdego jonu, a informacje kwantowe mogą być przetwarzane i przenoszone poprzez zbiorowy kwantowany ruch jonów, oddziałując z siłą Coulomba . Lasery są stosowane do indukowania sprzężenia między stanami kubitów (dla pojedynczych operacji kubitowych) lub między wewnętrznymi stanami kubitów i zewnętrznymi stanami ruchu (dla splątania między kubitami).

Bibliografia

Linki zewnętrzne