Ионная ловушка - Ion trap

Эта статья про газовые ионы. Для ионов в клетках см. ионный захват.
Показанная здесь ионная ловушка используется для экспериментов по созданию квантового компьютера.

An ионная ловушка представляет собой комбинацию электрических или магнитных полей, используемых для захвата заряженных частиц, известных как ионы - часто в системе, изолированной от внешней среды. Ионные ловушки имеют ряд научных применений, например: масс-спектрометрии, фундаментальные исследования физики и управление квантовыми состояниями. Двумя наиболее распространенными типами ионных ловушек являются Ловушка Пеннинга, который формирует потенциал через комбинацию электрического и магнитного полей, а Пол ловушка который формирует потенциал за счет комбинации статических и осциллирующих электрических полей.

Ловушки Пеннинга можно использовать для точных магнитных измерений в спектроскопии. В исследованиях манипуляции квантовым состоянием чаще всего используется ловушка Пола. Это может привести к квантовый компьютер с захваченными ионами[1] и уже использовался для создания самых точных в мире атомные часы.[2][3] Электронные пушки (устройство, излучающее высокоскоростные электроны, используемое в ЭЛТ ) можно использовать ионную ловушку, чтобы предотвратить деградацию катод положительными ионами.

Масс-спектрометры с ионной ловушкой

Компонент линейной ионной ловушки масс-спектрометра.

Ионная ловушка масс-спектрометр может включать ловушку Пеннинга (Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье ),[4] Пол ловушка[5] или Кингдонская ловушка.[6] В Орбитальная ловушка, представленный в 2005 году, основан на ловушке Кингдона.[7] Другие типы масс-спектрометров могут также использовать линейную квадрупольную ионную ловушку в качестве селективного масс-фильтра.

Ионная ловушка Пеннинга

Масс-спектрометр FTICR - пример ловушки Пеннинга.

А Ловушка Пеннинга хранит заряженные частицы, используя сильную однородную осевую магнитное поле удерживать частицы радиально и квадруполь электрическое поле чтобы удерживать частицы в осевом направлении.[8] Ловушки Пеннинга хорошо подходят для измерения свойств ионы и стабильно заряженный субатомные частицы. Прецизионные исследования магнитного момента электрона Демельтом и другими являются важной темой современной физики.

Ловушки Пеннинга можно использовать в квантовые вычисления и квантовая обработка информации[9] и используются в ЦЕРН для хранения антивещества. Ловушки Пеннинга составляют основу Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье для определения отношение массы к заряду из ионы.[10]

Ловушка Пеннинга была изобретена Франс Мишель Пеннинг и Ханс Георг Демельт, который построил первую ловушку в 1950-х годах.[11]

Ионная ловушка Пауля

Принципиальная схема масс-спектрометра с ионной ловушкой с источником ионизации электрораспылением (ESI) и ионной ловушкой Пауля.

Ловушка Пола - это разновидность квадрупольная ионная ловушка который использует статический постоянный ток (DC) и радиочастота (RF) колеблющийся электрические поля улавливать ионы. Ловушки Пола обычно используются как компоненты масс-спектрометр. Само изобретение трехмерной квадрупольной ионной ловушки приписывают Вольфганг Пауль кто поделился Нобелевская премия по физике в 1989 г. за эту работу.[12][13] Ловушка состоит из двух гиперболический металлические электроды фокусировками друг к другу и гиперболический кольцевой электрод посередине между двумя другими электродами. Ионы застревают в пространстве между этими тремя электродами колебательными и статическими электрическими полями.

Кингдонская ловушка и орбитальная ловушка

Частичное сечение масс-анализатора Orbitrap - пример ловушки Кингдона.

Ловушка Кингдона состоит из тонкой центральной проволоки, внешнего цилиндрического электрода и изолированных торцевых электродов на обоих концах. Приложенное статическое напряжение приводит к возникновению радиального логарифмического потенциала между электродами.[14] В ловушке Кингдона нет минимума потенциала для хранения ионов; однако они сохраняются с конечным угловым моментом вокруг центральной проволоки, а приложенное электрическое поле в устройстве обеспечивает стабильность траекторий ионов.[15] В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, ограничивающий ионы на оси ловушки.[16] Динамическая ловушка Кингдона имеет дополнительное напряжение переменного тока, которое использует сильную дефокусировку для постоянного хранения заряженных частиц.[17] Для динамической ловушки Кингдона не требуется, чтобы захваченные ионы обладали угловым моментом относительно нити. An Орбитальная ловушка это модифицированная ловушка Kingdon, которая используется для масс-спектрометрии. Хотя идея была предложена, и проведено компьютерное моделирование.[18] ни Кингдон, ни конфигурация Найта не давали масс-спектров, поскольку моделирование показало, что разрешающая способность по массе будет проблематичной.

Электронно-лучевые трубки

Основная статья: Электронно-лучевая трубка

Ионные ловушки использовались в телевизионные приемники до введения алюминизированных ЭЛТ стоит около 1958 года, чтобы защитить люминофорный экран от ионов.[19] Ионную ловушку необходимо аккуратно отрегулировать для достижения максимальной яркости.[20][21]

Квантовый компьютер с захваченными ионами

Основная статья: Квантовый компьютер с захваченными ионами

Некоторые экспериментальные работы по разработке квантовых компьютеров используют захваченные ионы. Единицы квантовая информация называется кубиты хранятся в стабильных электронных состояниях каждого иона, и квантовая информация могут обрабатываться и передаваться посредством коллективного квантованного движения ионов, взаимодействующих посредством Кулоновская сила. Лазеры применяются, чтобы побудить связь между состояниями кубита (для операций с одним кубитом) или между внутренними состояниями кубита и внешними состояниями движения (для сцепления между кубитами).

Рекомендации

  1. ^ Р. Блатт; Д. Дж. Вайнленд (2008). «Запутанные состояния захваченных атомных ионов» (PDF). Природа. 453 (7198): 1008–1014. Bibcode:2008 Натур.453.1008Б. Дои:10.1038 / природа07125. PMID  18563151.
  2. ^ Т. Розенбанд; Д. Б. Хьюм; П. О. Шмидт; К. В. Чоу; А. Бруш; Л. Лорини; В. Х. Оскай; Р. Э. Друллинджер; Т. М. Фортье; Дж. Э. Стальнакер; С. А. Диддамс; W. C. Swann; Н. Р. Ньюбери; В. М. Итано; Д. Дж. Вайнленд; Дж. К. Бергквист (2008). "Соотношение частот одноионных оптических часов Al + и Hg +; Метрология до 17-го знака после запятой" (PDF). Наука. 319 (5871): 1808–1812. Bibcode:2008Научный ... 319.1808R. Дои:10.1126 / science.1154622. PMID  18323415.
  3. ^ С. М. Брюэр; Ж.-С. Чен; А. М. Ханкин; Э. Р. Клементс; К. В. Чоу; Д. Дж. Вайнленд; Д. Б. Хьюм; Д. Р. Лейбрандт (2019). "Al + квантово-логические часы с систематической погрешностью ниже 10 ^ -18". Phys. Rev. Lett. 123 (3): 033201. arXiv:1902.07694. Дои:10.1103 / PhysRevLett.123.033201.
  4. ^ Блаум, Клаус (2006). «Высокоточная масс-спектрометрия с накопленными ионами». Отчеты по физике. 425 (1): 1–78. Bibcode:2006ФР ... 425 .... 1Б. Дои:10.1016 / j.physrep.2005.10.011.
  5. ^ Дуглас, диджей; Франк, AJ; Мао, DM (2005). «Линейные ионные ловушки в масс-спектрометрии». Обзоры масс-спектрометрии. 24 (1): 1–29. Bibcode:2005MSRv ... 24 .... 1D. Дои:10.1002 / mas.20004. PMID  15389865.
  6. ^ Кингдон KH (1923). «Метод нейтрализации космического заряда электронов путем положительной ионизации при очень низких давлениях газа». Физический обзор. 21 (4): 408–418. Bibcode:1923ПхРв ... 21..408К. Дои:10.1103 / PhysRev.21.408.
  7. ^ Hu, QZ; Noll, RJ; Li, HY; Макаров А; Хардман, М; Повара, RG (2005). «Орбитальная ловушка: новый масс-спектрометр». Журнал масс-спектрометрии. 40 (4): 430–443. Bibcode:2005JMSp ... 40..430H. Дои:10.1002 / jms.856. PMID  15838939.
  8. ^ Brown, L.S .; Габриэльс, Г. (1986). «Теория геония: физика отдельного электрона или иона в ловушке Пеннинга» (PDF). Обзоры современной физики. 58 (1): 233–311. Bibcode:1986РвМП ... 58..233Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.58.233.
  9. ^ Хеффнер, Хартмут, Кристиан Ф. Роос и Райнер Блатт. «Квантовые вычисления с захваченными ионами». Physics Reports 469.4 (2008): 155-203.
  10. ^ Marshall, A. G .; Hendrickson, C.L .; Джексон, Г. С. Масс-спектрометрия с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье: праймер. Масс-спектрометр Rev 17, 1-35.
  11. ^ "Ганс Г. Демельт - Биографический". Нобелевская премия. 1989 г.. Получено 1 июня, 2014.
  12. ^ Пол В., Стейнведель Х. (1953). "Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld". RZeitschrift für Naturforschung A 8 (7): 448-450
  13. ^ DE 944900  "Verfahren zur Trennung bzw. zum getrennten Nachweis von Ionen verschiedener spezifischer Ladung", W. Paul and H. Steinwedel, подана 24 декабря 1953 г., приоритет 23 декабря 1953 г.
  14. ^ Кингдон KH (1923). «Метод нейтрализации космического заряда электронов путем положительной ионизации при очень низких давлениях газа». Физический обзор. 21 (4): 408–418. Bibcode:1923ПхРв ... 21..408К. Дои:10.1103 / PhysRev.21.408.
  15. ^ Майор, Фуад Джи (2005). Ловушки заряженных частиц: физика и техника поля заряженных частиц. Springer. ISBN  3-540-22043-7.
  16. ^ Найт, Р. Д. (1981). «Хранение ионов из лазерной плазмы». Письма по прикладной физике. 38 (4): 221–223. Bibcode:1981АпФЛ..38..221К. Дои:10.1063/1.92315.
  17. ^ Блюмель, Р. (1995). «Динамическая ловушка Кингдона». Физический обзор A. 51 (1): R30 – R33. Bibcode:1995ПхРвА..51 ... 30Б. Дои:10.1103 / PhysRevA.51.R30. PMID  9911663.
  18. ^ Оксман, Пентти (1995-01-10). "Времяпролетный масс-спектрометр с преобразованием Фурье. Расчетный подход SIMION". Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов. 141 (1): 67–76. Bibcode:1995IJMSI.141 ... 67O. Дои:10.1016 / 0168-1176 (94) 04086-М.
  19. ^ Хартсон, Тед (2004). «Как мир изменил телевидение» (PDF). Получено 2008-10-13.
  20. ^ Магнит для ионных ловушек с электронно-лучевой трубкой
  21. ^ Ионная ловушка для катодно-лучевой трубки

внешняя ссылка