​

تله یونی، که در اینجا نشان داده شده است، یکی از تله‌هایی است که برای آزمایش‌هایی در راستای تحقق یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می‌شود.

تله یونی ترکیبی از میدان های الکتریکی و/یا مغناطیسی است که برای جذب ذرات باردار - معروف به یون - اغلب در یک سیستم جدا شده از یک محیط خارجی استفاده می شود. تله‌های یونی اتمی و مولکولی کاربردهای زیادی در فیزیک و شیمی دارند، مانند طیف‌سنجی جرمی دقیق ، استانداردهای فرکانس اتمی بهبود یافته و محاسبات کوانتومی . [1] در مقایسه با تله‌های اتمی خنثی، تله‌های یونی پتانسیل‌های عمیق‌تری دارند (تا چندین الکترون ولت ).) که به ساختار الکترونیکی داخلی یک یون به دام افتاده بستگی ندارند. این امر تله های یونی را برای مطالعه برهمکنش های نور با سیستم های تک اتمی مناسب تر می کند. دو نوع از محبوب‌ترین تله‌های یونی عبارتند از تله پنینگ که از طریق ترکیبی از میدان‌های الکتریکی ساکن و مغناطیسی یک پتانسیل ایجاد می‌کند و تله پل که از طریق ترکیبی از میدان‌های الکتریکی ساکن و نوسانی پتانسیل ایجاد می‌کند. [2]

از تله های پنینگ می توان برای اندازه گیری دقیق مغناطیسی در طیف سنجی استفاده کرد. مطالعات مربوط به دستکاری حالت کوانتومی اغلب از تله پل استفاده می کنند. این ممکن است منجر به یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده [3] شود و قبلاً برای ایجاد دقیق ترین ساعت های اتمی جهان استفاده شده است . [4] [5] تفنگ های الکترونی (دستگاهی که الکترون های پرسرعت ساطع می کند، که در CRT ها استفاده می شود ) می توانند از یک تله یونی برای جلوگیری از تخریب کاتد توسط یون های مثبت استفاده کنند.

نظریه [ ویرایش ]

یک ذره باردار، مانند یک یون ، نیرویی را از یک میدان الکتریکی احساس می کند. در نتیجه قضیه ارنشاو ، محصور کردن یون در میدان الکترواستاتیک ممکن نیست. با این حال، فیزیکدانان راه‌های مختلفی برای کار پیرامون این قضیه با استفاده از ترکیب میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی ساکن (مانند تله پنینگ ) یا با میدان‌های الکتریکی نوسانی ( تله پل ) دارند. در مورد دومی، یک تحلیل رایج با مشاهده چگونگی یک یون بار آغاز می شودههو جرمممدر میدان الکتریکی ac رفتار می کند{\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}\cos(\Omega t)}. نیروی وارد بر یون توسط{\displaystyle \mathbf {F} =e\mathbf {E} }، بنابراین با قانون دوم نیوتن ما داریم

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

با فرض اینکه یون دارای سرعت اولیه صفر است، دو ادغام متوالی سرعت و جابجایی را به صورت

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

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

جایی که\mathbf {r} _{0}ثابت یکپارچگی است. بنابراین، یون با فرکانس زاویه ای نوسان می کند\ امگاو دامنه متناسب با شدت میدان الکتریکی. یک پتانسیل به دام انداختن را می توان با تغییر فضایی قدرت میدان الکتریکی ac به دست آورد.

تله پل خطی [ ویرایش ]

تله پل خطی از یک میدان چهار قطبی نوسانی برای به دام انداختن یون ها به صورت شعاعی و یک پتانسیل ساکن برای محدود کردن یون ها به صورت محوری استفاده می کند. میدان چهارقطبی توسط چهار الکترود موازی که در آن قرار دارند، تحقق می‌یابدz-محور واقع در گوشه های یک مربع درxy-سطح. الکترودها به صورت مورب در مقابل یکدیگر وصل شده اند و یک ولتاژ ac{\displaystyle V=V_{0}\cos(\Omega t)}اعمال می شود. در طولz- محور، تجزیه و تحلیل تقارن شعاعی یک پتانسیل را به دست می دهد [6]

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

ثابت ها\ آلفاو\بتاتوسط شرایط مرزی روی الکترودها و\phiمعادله لاپلاس را برآورده می کند {\displaystyle \nabla ^{2}\phi =0}. با فرض طول الکترودهاrبسیار بیشتر از جدایی آنها استr_{0}، می توان نشان داد که

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

از آنجایی که میدان الکتریکی با گرادیان پتانسیل داده می شود، آن را دریافت می کنیم

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

تعریف کردن{\displaystyle \tau =\Omega t/2}، معادلات حرکت درxy-صفحه یک شکل ساده شده از معادله ماتیو است ،

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

دام پنینگ [ ویرایش ]

مسیر شعاعی یک یون در تله پنینگ. نسبت فرکانس سیکلوترون به فرکانس مگنترون است {\displaystyle \omega _{c}/\omega _{m}=10/1}.

یک پیکربندی استاندارد برای تله پنینگ شامل یک الکترود حلقه و دو کلاهک انتهایی است. دیفرانسیل ولتاژ ایستا بین حلقه و کلاهک انتهایی یون ها را در جهت محوری (بین کلاهک های انتهایی) محدود می کند. با این حال، همانطور که از قضیه ارنشاو انتظار می رود ، پتانسیل الکتریکی ساکن برای به دام انداختن یک یون در هر سه بعد کافی نیست. برای ایجاد محصور شعاعی، یک میدان مغناطیسی محوری قوی اعمال می شود.

برای میدان الکتریکی یکنواخت{\displaystyle \mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}}، نیروی {\displaystyle \mathbf {F} =e\mathbf {E} }یک یون با بار مثبت را در امتداد شتاب می دهدایکسایکس-محور. برای میدان مغناطیسی یکنواخت{\displaystyle \mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}}، نیروی لورنتس باعث می شود یون در حرکت دایره ای با فرکانس سیکلوترون حرکت کند

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

با فرض قرار گرفتن یونی با سرعت اولیه صفر در ناحیه {\displaystyle \mathbf {E} =E\mathbf {\hat {e}} _{x}}و{\displaystyle \mathbf {B} =B\mathbf {\hat {e}} _{z}}، معادلات حرکت هستند

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

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

{\displaystyle z=0\!}.

حرکت حاصل ترکیبی از حرکت نوسانی در اطراف استz-محور با فرکانس\omega _{c}و سرعت رانش درy-جهت. سرعت رانش عمود بر جهت میدان الکتریکی است.

برای میدان الکتریکی شعاعی تولید شده توسط الکترودها در تله پنینگ، سرعت رانش حول جهت محوری با مقداری فرکانس پیشروی می کند.\omega_m، فرکانس مگنترون نامیده می شود. یک یون دارای فرکانس مشخصه سوم نیز خواهد بود\omega _{z}بین دو الکترود کلاهک انتهایی فرکانس ها معمولاً مقادیر بسیار متفاوتی دارند{\displaystyle \omega _{z}\ll \omega _{m}<\ll \omega _{c}}. [7]

طیف سنج های جرمی تله یونی [ ویرایش ]

یک جزء خطی تله یونی یک طیف سنج جرمی

یک طیف‌سنج جرمی تله یونی ممکن است یک تله پنینگ ( رزونانس سیکلوترون یونی تبدیل فوریه )، [8] تله پل [9] یا تله کینگدون را در خود جای دهد. [10] Orbitrap ، معرفی شده در سال 2005، بر اساس تله Kingdon است. [11] انواع دیگر طیف سنج های جرمی نیز ممکن است از تله یونی چهارقطبی خطی به عنوان فیلتر جرمی انتخابی استفاده کنند.

تله یونی پنینگ [ ویرایش ]

طیف سنج جرمی FTICR - نمونه ای از ابزار تله پنینگ

یک تله پنینگ ذرات باردار را با استفاده از یک میدان مغناطیسی محوری همگن قوی برای محدود کردن ذرات به صورت شعاعی و یک میدان الکتریکی چهار قطبی برای محدود کردن ذرات به صورت محوری ذخیره می‌کند. [12] تله‌های پنینگ برای اندازه‌گیری خواص یون‌ها و ذرات باردار زیراتمی پایدار مناسب هستند . مطالعات دقیق گشتاور مغناطیسی الکترون توسط دهملت و دیگران موضوع مهمی در فیزیک مدرن است.

تله های پنینگ را می توان در محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی [13] استفاده کرد و در CERN برای ذخیره پادماده استفاده می شود. تله‌های پنینگ اساس طیف‌سنجی جرمی سیکلوترون یونی تبدیل فوریه را برای تعیین نسبت جرم به بار یون‌ها تشکیل می‌دهند . [14]

تله پنینگ توسط فرانس میشل پنینگ و هانس گئورگ دهملت اختراع شد که اولین تله را در دهه 1950 ساختند. [15]

تله یون پل [ ویرایش ]

نمودار شماتیک طیف سنج جرمی تله یونی با منبع یونیزاسیون الکترواسپری (ESI) و تله یونی پل.

تله پل نوعی تله یونی چهارقطبی است که از میدان های الکتریکی نوسانی جریان مستقیم ساکن (DC) و فرکانس رادیویی (RF) برای به دام انداختن یون ها استفاده می کند. تله های پل معمولاً به عنوان اجزای یک طیف سنج جرمی استفاده می شوند. اختراع تله یونی چهارقطبی سه بعدی به ولفگانگ پل نسبت داده می شود که در سال 1989 جایزه نوبل فیزیک را برای این کار به اشتراک گذاشت. [16] [17] این تله شامل دو الکترود فلزی هذلولی است که کانون‌های آنها رو به روی هم قرار دارند و یک الکترود حلقه هذلولی در نیمه راه بین دو الکترود دیگر. یون هادر فضای بین این سه الکترود توسط میدان های الکتریکی نوسانی و ساکن به دام افتاده اند.

تله و مدار کینگدون [ ویرایش ]

مقطع جزئی تحلیلگر جرم Orbitrap - نمونه ای از تله کینگدون.

تله کینگدون از یک سیم مرکزی نازک، یک الکترود استوانه ای بیرونی و الکترودهای کلاهک انتهایی جدا شده در هر دو انتها تشکیل شده است. ولتاژ اعمال شده استاتیک منجر به پتانسیل لگاریتمی شعاعی بین الکترودها می شود. [18] در تله کینگدون هیچ حداقل بالقوه ای برای ذخیره یون ها وجود ندارد. با این حال، آنها با یک تکانه زاویه ای محدود در مورد سیم مرکزی ذخیره می شوند و میدان الکتریکی اعمال شده در دستگاه امکان پایداری مسیرهای یونی را فراهم می کند. [19] در سال 1981، نایت یک الکترود بیرونی اصلاح شده را معرفی کرد که شامل یک اصطلاح چهارقطبی محوری بود که یون ها را روی محور تله محدود می کرد. [20] تله پویا کینگدون دارای یک ولتاژ AC اضافی است که از فوکوس زدایی قوی برای ذخیره دائمی ذرات باردار استفاده می کند. [21]تله دینامیک کینگدون نیازی ندارد که یون های به دام افتاده نسبت به رشته حرکت زاویه ای داشته باشند. Orbitrap یک تله Kingdon اصلاح شده است که برای طیف سنجی جرمی استفاده می شود . اگرچه این ایده پیشنهاد شده و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انجام شده است [22] ، نه پیکربندی کینگدون و نه پیکربندی نایت برای تولید طیف‌های جرمی گزارش نشده است، زیرا شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که قدرت تفکیک جرم مشکل‌ساز خواهد بود.

کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده [ ویرایش ]

مقاله اصلی: کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده

برخی از کارهای تجربی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی از یون های به دام افتاده استفاده می کنند . واحدهایی از اطلاعات کوانتومی به نام کیوبیت در حالت‌های الکترونیکی پایدار هر یون ذخیره می‌شوند و اطلاعات کوانتومی را می‌توان از طریق حرکت کوانتومی جمعی یون‌ها پردازش و انتقال داد، که توسط نیروی کولن برهم‌کنش می‌کنند. لیزرها برای القای جفت بین حالت های کیوبیت (برای عملیات تک کیوبیت) یا بین حالت های کیوبیت داخلی و حالت های حرکتی خارجی (برای درهم تنیدگی بین کیوبیت ها) استفاده می شوند.

لوله های پرتو کاتدی [ ویرایش ]

مقاله اصلی: لوله اشعه کاتدی

تله‌های یونی قبل از معرفی صفحه‌های CRT آلومینیومی در حدود سال 1958 برای محافظت از صفحه نمایش فسفر در برابر یون‌ها در گیرنده‌های تلویزیون استفاده می‌شد. [23] تله یون باید با ظرافت برای حداکثر روشنایی تنظیم شود. [24] [25]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_trap

​