Jonfälla

Den här artikeln handlar om gasfasjoner. För joner i celler, se jonfångning .

Jonfälla, som visas här, är en som används för experiment för att förverkliga en kvantdator.

En jonfälla är en kombination av elektriska och/eller magnetiska fält som används för att fånga upp laddade partiklar - kända som joner - ofta i ett system isolerat från en extern miljö. Atomiska och molekylära jonfällor har ett antal tillämpningar inom fysik och kemi, såsom precisionsmasspektrometri, förbättrade atomfrekvensstandarder och kvantberäkning . I jämförelse med neutrala atomfällor har jonfällor djupare fångstpotentialer (upp till flera elektronvolt ) som inte beror på den inre elektroniska strukturen hos en fångade jon. Detta gör jonfällor mer lämpade för studier av ljusinteraktioner med enstaka atomsystem. De två mest populära typerna av jonfällor är Penning-fällan , som bildar en potential via en kombination av statiska elektriska och magnetiska fält, och Paul-fällan som bildar en potential via en kombination av statiska och oscillerande elektriska fält.

Penning-fällor kan användas för exakta magnetiska mätningar inom spektroskopi. Studier av kvanttillståndsmanipulation använder oftast Paul-fällan. Detta kan leda till en fångade jonkvantdator och har redan använts för att skapa världens mest exakta atomklockor . Elektronpistoler (en enhet som avger höghastighetselektroner, som används i katodstrålerör ) kan använda en jonfälla för att förhindra nedbrytning av katoden av positiva joner.

Teori

En laddad partikel, såsom en jon , känner en kraft från ett elektriskt fält. Som en konsekvens av Earnshaws teorem är det inte möjligt att begränsa en jon i ett elektrostatiskt fält. Men fysiker har olika sätt att arbeta kring detta teorem genom att använda kombinationer av statiska magnetiska och elektriska fält (som i en Penning-fälla ) eller genom att oscillera elektriska fält ( Paul trap ). I fallet med det senare börjar en vanlig analys med att observera hur en jon av laddning $e$ och massa $M$ beter sig i ett växelströmsfält $\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}\cos(\Omega t)$ . Kraften på jonen ges av $\mathbf {F} =e\mathbf {E}$ , så av Newtons andra lag har vi

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

Om man antar att jonen har noll initial hastighet, ger två successiva integrationer hastigheten och förskjutningen som

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

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

där $\mathbf {r} _{0}$ är en integrationskonstant. Således oscillerar jonen med vinkelfrekvensen $\Omega$ och amplituden proportionell mot det elektriska fältets styrka. En infångningspotential kan realiseras genom att spatialt variera styrkan hos det elektriska växelströmsfältet.

Linjär Paul Trap

Den linjära Paul-fällan använder ett oscillerande kvadrupolfält för att fånga joner radiellt och en statisk potential för att begränsa joner axiellt. Kvadrupolfältet realiseras av fyra parallella elektroder som ligger i $z$ -axeln placerade i hörnen av en kvadrat i $xy$ -planet. Elektroder diagonalt mitt emot varandra ansluts och en växelspänning $V=V_{0}\cos(\Omega t)$ appliceras. Längs $z$ -axeln ger en analys av den radiella symmetrin en potential

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

Konstanterna $\alpha$ och $\beta$ bestäms av gränsförhållanden på elektroderna och $\phi$ uppfyller Laplaces ekvation $\nabla ^{2}\ phi =0$ . Om man antar att längden på elektroderna $r$ är mycket större än deras separation $r_{0}$ , kan det visas att

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

Eftersom det elektriska fältet ges av potentialens gradient får vi det

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

Genom att definiera ${\displaystyle \tau =\Omega t/2} är$ rörelseekvationerna i $xy$ -planet en förenklad form av Mathieu-ekvationen ,

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

Penning fälla

Den radiella banan för en jon i en Penning-fälla; förhållandet mellan cyklotronfrekvens och magnetronfrekvens är ${m}=10/1}$ \ displaystyle \omega _{c}/\omega

En standardkonfiguration för en Penning-fälla består av en ringelektrod och två ändlock. En statisk spänningsskillnad mellan ringen och ändlocken begränsar joner längs den axiella riktningen (mellan ändlocken). Men som förväntat av Earnshaws teorem är den statiska elektriska potentialen inte tillräcklig för att fånga en jon i alla tre dimensionerna. För att tillhandahålla den radiella inneslutningen appliceras ett starkt axiellt magnetfält.

För ett enhetligt elektriskt fält ${\displaystyle \mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}} ,$ kraften $\mathbf {F} =e\mathbf {E}$ accelererar en positivt laddad jon längs $x$ -axeln. För ett enhetligt magnetfält ${\displaystyle \mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}} ,$ får Lorentz -kraften jonen att röra sig i cirkulär rörelse med cyklotronfrekvens

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

Antag att en jon med noll initial hastighet placerad i ett område med $\mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}$ och ${ \displaystyle \mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}} ,$ rörelseekvationerna är

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

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

$z=0\!$ .

Den resulterande rörelsen är en kombination av oscillerande rörelse runt $z$ -axeln med frekvensen $\omega _{c}$ och en drifthastighet i $y$ -riktningen. Drifthastigheten är vinkelrät mot det elektriska fältets riktning.

För det radiella elektriska fältet som alstras av elektroderna i en Penning-fälla, kommer drifthastigheten att precessera runt den axiella riktningen med någon frekvens ω $\displaystyle \omega _{m}},$ kallad magnetronfrekvensen. En jon kommer också att ha en tredje karakteristisk frekvens $\omega _{z}$ mellan de två ändkapselelektroderna. Frekvenserna har vanligtvis vitt skilda värden med $\omega _{z}\ll \omega _{m}<\ll \omega _{c}$ .

Jonfälla masspektrometrar

En linjär jonfälla-komponent i en masspektrometer

En jonfälla- masspektrometer kan innehålla en Penning-fälla ( Fourier-transform joncyklotronresonans ), Paul-fälla eller Kingdon-fällan . Orbitrap , som introducerades 2005, är baserad på Kingdon-fällan. Andra typer av masspektrometrar kan också använda en linjär kvadrupoljonfälla som ett selektivt massfilter.

Penning jonfälla

FTICR-masspektrometer – ett exempel på ett Penning-fällinstrument

En Penning-fälla lagrar laddade partiklar med hjälp av ett starkt homogent axiellt magnetfält för att begränsa partiklarna radiellt och ett fyrpoligt elektriskt fält för att begränsa partiklarna axiellt. Penningfällor är väl lämpade för mätningar av egenskaperna hos joner och stabilt laddade subatomära partiklar . Precisionsstudier av det magnetiska elektronmomentet av Dehmelt och andra är ett viktigt ämne i modern fysik.

Penning-fällor kan användas i kvantberäkning och kvantinformationsbehandling och används på CERN för att lagra antimateria. Penning-fällor utgör grunden för Fourier-transformjon-cyklotronresonansmasspektrometri för att bestämma massa-till-laddning-förhållandet mellan joner .

Penningfällan uppfanns av Frans Michel Penning och Hans Georg Dehmelt , som byggde den första fällan på 1950-talet.

Paul jonfälla

Schematiskt diagram av jonfälla-masspektrometer med en elektrosprayjoniseringskälla (ESI) och Paul-jonfälla.

En Paul-fälla är en typ av fyrpolig jonfälla som använder statisk likström (DC) och radiofrekvens (RF) oscillerande elektriska fält för att fånga joner. Paul-fällor används ofta som komponenter i en masspektrometer . Uppfinningen av själva 3D-kvadrupoljonfällan tillskrivs Wolfgang Paul som delade Nobelpriset i fysik 1989 för detta arbete. Fällan består av två hyperboliska metallelektroder med deras foci vända mot varandra och en hyperbolisk ringelektrod halvvägs mellan de andra två elektroderna. Joner fångas i utrymmet mellan dessa tre elektroder av de oscillerande och statiska elektriska fälten.

Kingdon-fälla och orbitrap

Delvis tvärsnitt av Orbitrap massanalysator – ett exempel på en Kingdon-fälla.

En Kingdon-fälla består av en tunn central tråd, en yttre cylindrisk elektrod och isolerade ändkapselelektroder i båda ändar. En statisk pålagd spänning resulterar i en radiell logaritmisk potential mellan elektroderna. I en Kingdon-fälla finns det inget potentiellt minimum för att lagra jonerna; emellertid lagras de med en ändlig vinkelrörelse runt den centrala tråden och det pålagda elektriska fältet i anordningen möjliggör stabiliteten hos jonbanorna. 1981 introducerade Knight en modifierad yttre elektrod som inkluderade en axiell kvadrupolterm som begränsar jonerna på fällans axel. Den dynamiska Kingdon-fällan har en extra växelspänning som använder stark defokusering för att permanent lagra laddade partiklar. Den dynamiska Kingdon-fällan kräver inte att de fångade jonerna har vinkelmoment i förhållande till glödtråden. En Orbitrap är en modifierad Kingdon-fälla som används för masspektrometri . Även om idén har föreslagits och datorsimuleringar utförda rapporterades varken Kingdon- eller Knight-konfigurationerna producera masspektra, eftersom simuleringarna indikerade att massupplösningsförmåga skulle vara problematisk.

Fångad jon kvantdator

Huvudartikel: Kvantdator med fångade joner

Vissa experimentella arbeten för att utveckla kvantdatorer använder fångade joner . Enheter av kvantinformation som kallas qubits lagras i stabila elektroniska tillstånd för varje jon, och kvantinformation kan bearbetas och överföras genom jonernas kollektiva kvantiserade rörelse, som interagerar med Coulomb-kraften . Lasrar appliceras för att inducera koppling mellan qubit-tillstånden (för enstaka qubit-operationer) eller mellan de interna qubit-tillstånden och externa rörelsetillstånd (för intrassling mellan qubits).

Katodstrålerör

Huvudartikel: Katodstrålerör

Jonfällor användes i TV-mottagare före introduktionen av aluminiumbehandlade CRT- ytor runt 1958, för att skydda fosforskärmen från joner. Jonfällan måste justeras noggrant för maximal ljusstyrka.

Se även

• Laser kylning
• Masspektrometri
• Kvanthopp

externa länkar

• VIAS Science Cartoons En knasig bild av en jonfälla...
• Paul fälla