Una trampa de iones es una combinación de campos eléctricos o magnéticos que se utilizan para capturar partículas cargadas, conocidas como iones , a menudo en un sistema aislado de un entorno externo. Las trampas de iones tienen varios usos científicos, como espectrometría de masas , investigación de física básica y control de estados cuánticos. Los dos tipos más comunes de trampa de iones son la trampa de Penning , que forma un potencial a través de una combinación de campos eléctricos y magnéticos, y la trampa de Paul, que forma un potencial a través de una combinación de campos eléctricos estáticos y oscilantes.
Las trampas de lápiz se pueden utilizar para mediciones magnéticas precisas en espectroscopia. Los estudios de manipulación del estado cuántico utilizan con mayor frecuencia la trampa de Paul. Esto puede conducir a una computadora cuántica de iones atrapados [1] y ya se ha utilizado para crear los relojes atómicos más precisos del mundo . [2] [3] Las pistolas de electrones (un dispositivo que emite electrones de alta velocidad, utilizado en los CRT ) pueden usar una trampa de iones para evitar la degradación del cátodo por iones positivos.
Espectrómetros de masas con trampa de iones
Un espectrómetro de masas con trampa de iones puede incorporar una trampa de Penning ( resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier ), [4] trampa de Paul [5] o la trampa de Kingdon . [6] El Orbitrap , introducido en 2005, se basa en la trampa Kingdon. [7] Otros tipos de espectrómetros de masas también pueden utilizar una trampa de iones de cuadrupolo lineal como filtro de masa selectivo.
Trampa de iones Penning
Una trampa de Penning almacena partículas cargadas usando un campo magnético axial homogéneo fuerte para confinar las partículas radialmente y un campo eléctrico cuadrupolo para confinar las partículas axialmente. [8] Las trampas de Penning son muy adecuadas para medir las propiedades de los iones y las partículas subatómicas cargadas estables . Los estudios de precisión del momento magnético electrónico por Dehmelt y otros son un tema importante en la física moderna.
Las trampas de escritura pueden usarse en computación cuántica y procesamiento de información cuántica [9] y se usan en el CERN para almacenar antimateria. Las trampas de Penning forman la base de la espectrometría de masas de resonancia ciclotrónica de iones de transformada de Fourier para determinar la relación masa / carga de los iones . [10]
La trampa Penning fue inventada por Frans Michel Penning y Hans Georg Dehmelt , quienes construyeron la primera trampa en la década de 1950. [11]
Trampa de iones de Paul
Una trampa de Paul es un tipo de trampa de iones cuadrupolo que utiliza campos eléctricos oscilantes de corriente continua estática (CC) y radiofrecuencia (RF) para atrapar iones. Las trampas de Paul se utilizan comúnmente como componentes de un espectrómetro de masas . La invención de la trampa iónica cuadrupolo 3D en sí se atribuye a Wolfgang Paul, quien compartió el Premio Nobel de Física en 1989 por este trabajo. [12] [13] La trampa consta de dos electrodos metálicos hiperbólicos con sus focos enfrentados y un electrodo de anillo hiperbólico a medio camino entre los otros dos electrodos. Los iones quedan atrapados en el espacio entre estos tres electrodos por los campos eléctricos oscilantes y estáticos.
Trampa y orbitrap Kingdon
Una trampa Kingdon consta de un alambre central delgado, un electrodo cilíndrico externo y electrodos de tapa de extremo aislados en ambos extremos. Un voltaje aplicado estático da como resultado un potencial logarítmico radial entre los electrodos. [14] En una trampa Kingdon no existe un mínimo potencial para almacenar los iones; sin embargo, se almacenan con un momento angular finito alrededor del cable central y el campo eléctrico aplicado en el dispositivo permite la estabilidad de las trayectorias de los iones. [15] En 1981, Knight introdujo un electrodo externo modificado que incluía un término de cuadrupolo axial que confina los iones en el eje de la trampa. [16] La trampa dinámica de Kingdon tiene un voltaje de CA adicional que utiliza un fuerte desenfoque para almacenar partículas cargadas de forma permanente. [17] La trampa dinámica de Kingdon no requiere que los iones atrapados tengan un momento angular con respecto al filamento. Un Orbitrap es una trampa Kingdon modificada que se utiliza para espectrometría de masas . Aunque se sugirió la idea y se realizaron simulaciones por computadora [18], ni las configuraciones Kingdon ni Knight produjeron espectros de masas, ya que las simulaciones indicaron que el poder de resolución de masas sería problemático.
Tubos de rayos catódicos
Las trampas de iones se utilizaron en los receptores de televisión antes de la introducción de las caras de los CRT aluminizados alrededor de 1958, para proteger la pantalla de fósforo de los iones. [19] La trampa de iones debe ajustarse con delicadeza para obtener el máximo brillo. [20] [21]
Computadora cuántica de iones atrapados
Algunos trabajos experimentales para el desarrollo de computadoras cuánticas utilizan iones atrapados . Las unidades de información cuántica llamadas qubits se almacenan en estados electrónicos estables de cada ion, y la información cuántica se puede procesar y transferir a través del movimiento cuantificado colectivo de los iones, interactuando por la fuerza de Coulomb . Los láseres se aplican para inducir el acoplamiento entre los estados de los qubit (para operaciones de un solo qubit) o entre los estados de qubit internos y los estados de movimiento externos (para el entrelazamiento entre qubits).
Referencias
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- ^ Imán para trampas de iones de tubo de rayos catódicos
- ^ Trampa de iones para un tubo de rayos catódicos
enlaces externos
- Dibujos animados de ciencia de VIAS Una vista de mal humor de una trampa de iones ...
- Trampa de pablo