Ионная ловушка представляет собой комбинацию электрических и/или магнитных полей , используемых для захвата заряженных частиц, известных как ионы , часто в системе, изолированной от внешней среды. Ловушки атомных и молекулярных ионов имеют ряд применений в физике и химии, таких как прецизионная масс-спектрометрия , улучшенные атомные стандарты частоты и квантовые вычисления . [1] По сравнению с ловушками нейтральных атомов ионные ловушки имеют более глубокие потенциалы захвата (до нескольких электронвольт ), которые не зависят от внутренней электронной структуры захваченного иона. Это делает ионные ловушки более подходящими для изучения взаимодействия света с одноатомными системами. Двумя наиболее популярными типами ионных ловушек являются ловушка Пеннинга , которая формирует потенциал за счет комбинации статических электрических и магнитных полей, и ловушка Пола , которая формирует потенциал за счет комбинации статических и осциллирующих электрических полей. [2]
Ловушки Пеннинга можно использовать для точных магнитных измерений в спектроскопии. В исследованиях манипулирования квантовыми состояниями чаще всего используется ловушка Пола. Это может привести к созданию квантового компьютера с захваченными ионами [3] и уже используется для создания самых точных в мире атомных часов . [4] [5] Электронные пушки (устройства, испускающие высокоскоростные электроны, используемые в ЭЛТ ) могут использовать ионную ловушку для предотвращения разрушения катода положительными ионами.
Физические принципы ионных ловушек были впервые исследованы Ф. М. Пеннингом (1894–1953), который заметил, что электроны, высвобождаемые катодом ионизационного вакуумметра, следуют по длинному циклоидальному пути к аноду в присутствии достаточно сильного магнитного поля. [6]Схема удержания заряженных частиц в трёх измерениях без использования магнитных полей была разработана У. Полом на основе его работ с квадрупольными масс-спектрометрами .
Ионные ловушки использовались в телевизионных приемниках до появления алюминизированных поверхностей ЭЛТ примерно в 1958 году для защиты люминофорного экрана от ионов. [7] Ионную ловушку необходимо тщательно отрегулировать для достижения максимальной яркости. [8] [9]
Любая заряженная частица, например ион , ощущает силу электрического или магнитного поля. Ионные ловушки используют эту силу для удержания ионов в небольшом изолированном объеме пространства, чтобы их можно было изучать или манипулировать ими. Хотя любое статическое (постоянное во времени) электромагнитное поле создает силу, действующую на ион, невозможно удержать ион, используя только статическое электрическое поле. Это следствие теоремы Эрншоу . Однако у физиков есть различные способы обойти эту теорему, используя комбинации статических магнитных и электрических полей (как в ловушке Пеннинга ) или с помощью осциллирующего электрического поля и статического электрического поля ( ловушка Пола ). Движение и удержание ионов в ловушке обычно разделяют на осевые и радиальные компоненты, которые обычно рассматриваются отдельно в разных полях. Как в ловушках Пауля, так и в ловушках Пеннинга аксиальное движение ионов ограничивается статическим электрическим полем. Ловушки Пола используют колеблющееся электрическое поле для радиального удержания ионов, а ловушки Пеннинга генерируют радиальное удержание с помощью статического магнитного поля.