Введение

Ионная ловушка – это комбинация электрических и/или магнитных полей, используемая для удержания заряженных частиц, известных как ионы, часто в системе, изолированной от внешней среды. Атомные и молекулярные ионные ловушки находят применение в физике и химии, например, в прецизионной масс-спектрометрии, улучшенных атомных частотных стандартах и квантовых вычислениях. По сравнению с ловушками для нейтральных атомов, ионные ловушки обладают более глубокими потенциалами удержания (до нескольких электронвольт), которые не зависят от внутренней электронной структуры захваченного иона. Это делает ионные ловушки более подходящими для изучения взаимодействия света с отдельными атомными системами. Два наиболее распространенных типа ионных ловушек – это ловушка Пеннинга, формирующая потенциал посредством комбинации статических электрических и магнитных полей, и ловушка Поля, формирующая потенциал посредством комбинации статических и осциллирующих электрических полей. Ловушки Пеннинга могут использоваться для точных магнитных измерений в спектроскопии. Для исследований манипулирования квантовыми состояниями чаще всего используется ловушка Поля. Это может привести к созданию квантового компьютера на основе захваченных ионов и уже было использовано для создания самых точных атомных часов в мире. Электронные пушки (устройство, излучающее высокоскоростные электроны, применяемое в ЭЛТ) могут использовать ионную ловушку для предотвращения деградации катода положительными ионами.

История

Физические принципы ионных ловушек впервые были исследованы Ф. М. Пеннингом (1894–1953), который обнаружил, что электроны, испускаемые катодом ионизационного вакуумного датчика, описывают длинную циклоидальную траекторию к аноду в присутствии достаточно сильного магнитного поля. Способ удержания заряженных частиц в трех измерениях без использования магнитных полей был разработан В. Полом на основе его работы с четырехпольными масс-спектрометрами. Ионные ловушки использовались в телевизионных приемниках до появления алюминизированных экранов ЭЛТ примерно в 1958 году для защиты люминофорного экрана от ионов. Ионную ловушку необходимо тщательно настраивать для достижения максимальной яркости.

Теория

Любая заряженная частица, например ион, испытывает воздействие силы электрического или магнитного поля. Ионные ловушки работают, используя эту силу для удержания ионов в небольшом, изолированном объеме пространства, чтобы их можно было изучать или манипулировать. Хотя любое статическое (постоянное во времени) электромагнитное поле создает силу, действующую на ион, удержать ион, используя только статическое электрическое поле, невозможно. Это является следствием теоремы Эрншоу. Однако физики разработали различные способы обойти эту теорему, используя комбинации статических магнитных и электрических полей (как в ловушке Пеннинга) или осциллирующее электрическое поле в сочетании со статическим электрическим полем (ловушка Пола). Движение и удержание ионов в ловушке обычно разделяют на осевую и радиальную составляющие, которые, как правило, рассматриваются отдельно с помощью различных полей. И в ловушках Пола, и в ловушках Пеннинга осевое движение ионов удерживается статическим электрическим полем. Ловушки Пола используют осциллирующее электрическое поле для радиального удержания ионов, а ловушки Пеннинга создают радиальное удержание с помощью статического магнитного поля.

Массовые спектрометры ионных ловушек

Массовый спектрометр с ионной ловушкой может включать в себя ловушку Пеннинга (фурье-преобразование ионного циклотронного резонанса), ловушку Пола или ловушку Кингдона. Орбитрап, представленный в 2005 году, основан на ловушке Кингдона. Другие типы масс-спектрометров также могут использовать линейный квадрупольный ионный ловушку в качестве селективного масс-фильтра.

Ионная ловушка Пеннинга

Ловушка Пеннинга удерживает заряженные частицы, используя сильное однородное осевое магнитное поле для радиального удержания частиц и квадрупольное электрическое поле для осевого удержания. Ловушки Пеннинга хорошо подходят для измерений свойств ионов и стабильных заряженных субатомных частиц. Прецизионные исследования магнитного момента электрона, проведенные Деммельтом и другими, являются важной темой в современной физике. Ловушки Пеннинга могут использоваться в квантовых вычислениях и квантовой обработке информации и применяются в CERN для хранения антиматерии. Ловушки Пеннинга лежат в основе фурье-преобразовательной ионной циклотронной резонансной масс-спектрометрии для определения отношения массы к заряду ионов. Ловушка Пеннинга была изобретена Франсом Мишелем Пеннингом и Гансом Георгом Деммельтом, которые построили первую ловушку в 1950-х годах.

Пол ионная ловушка

Пол-ловушка – это тип четырехполюсной ионной ловушки, использующей статические поля постоянного тока (DC) и радиочастотные (RF) осциллирующие электрические поля для удержания ионов. Ловушки Пауля широко применяются в качестве компонентов масс-спектрометров. Изобретение трехмерной (3D) четырехполюсной ионной ловушки приписывается Вольфгангу Полю, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1989 году за эту работу. Ловушка состоит из двух гиперболических металлических электродов, сфокусированных друг на друга, и гиперболического кольцевого электрода, расположенного посередине между двумя другими электродами. Ионы удерживаются в пространстве между этими тремя электродами посредством осциллирующих и статических электрических полей.

Кингдонская ловушка и орбитрапа

Ловушка Кингдона состоит из тонкого центрального провода, внешнего цилиндрического электрода и изолированных концевых электродов на обоих концах. При приложении статического напряжения между электродами возникает радиальный логарифмический потенциал. В ловушке Кингдона отсутствует потенциальный минимум для удержания ионов; однако они удерживаются благодаря конечному угловому моменту относительно центрального провода, а приложенное электрическое поле в устройстве обеспечивает стабильность траекторий ионов. В 1981 году Найт предложил модифицированный внешний электрод, включающий осевой квадрупольный компонент, который удерживает ионы вдоль оси ловушки. Динамическая ловушка Кингдона имеет дополнительное переменное напряжение, использующее сильную дефокусировку для постоянного удержания заряженных частиц. Динамической ловушке Кингдона не требуется, чтобы удерживаемые ионы обладали угловым моментом относительно нити. Орбитрап – это модифицированная ловушка Кингдона, применяемая в масс-спектрометрии. Хотя эта идея была предложена и компьютерное моделирование проведено, ни конфигурация Кингдона, ни конфигурация Найта, по имеющимся данным, не показали возможности получения масс-спектров, поскольку моделирование указывало на проблемы с разрешающей способностью по массе.

Квантовый компьютер с ионными ловушками

Некоторые экспериментальные работы по разработке квантовых компьютеров используют захваченные ионы. Кубиты, как единицы квантовой информации, хранятся в стабильных электронных состояниях каждого иона, а квантовая информация обрабатывается и передается посредством коллективного квантованного движения ионов, взаимодействующих посредством силы Кулона. Лазеры используются для возбуждения связи между состояниями кубитов (для операций с одним кубитом) или между внутренними состояниями кубитов и внешними состояниями движения (для создания запутанности между кубитами).