מלכודת יונים

מלכודת יונים היא דרך ללכוד יונים (אטומים, מולקולות או צברים בעלי מטען חשמלי) במקום מוגדר במרחב לפרקי זמן ארוכים. במלכודות אלו משתמשים בתחומים שונים: קירור יונים, ספקטרומטריית מסות, חישובים קוונטיים ועוד.

משפט ארנשו

על פי משפט ארנשו (Samuel Earnshaw), לא ניתן ליצור בור פוטנציאל תלת ממדי בעזרת שדות חשמליים נייחים (שדות אלקטרוסטטיים). מכאן משתמע לכאורה שלא ניתן ללכוד יונים בעזרת שדות חשמליים נייחים, ויש המסתמכים על משפט זה כדי לטעון שלא ניתן לכלוא יונים כלל. שתי המסקנות האלו שגויות: ניתן לכלוא יונים על ידי "פרצות" במשפט ארנשו, וסוגים שונים של מלכודות יונים מבוססים על סוגים שונים של פרצות כאלו. ניתן ללכוד יונים על ידי שדות חשמליים שמשתנים בזמן (מלכודת פאול - Paul Traps), על ידי מלכודות אופטיות (הנוצרות בעזרת קרני לייזר, שאף הן שדות חשמליים המשתנים בזמן), על ידי שימוש בשילוב של שדות מגנטיים וחשמליים (מלכודות פנינג - Penning Traps), או על ידי לכידה של יונים בתנועה (טבעות אחסון - storage rings, ומלכודות לקרני יונים - ion beam traps).

מלכודות פנינג

מלכודות אלו הומצאו כנראה על ידי הנס דמלט, שחלק את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1989 עם פאול. במלכודות אלו משתמשים בשילוב של שדות חשמליים ומגנטיים. שדה מגנטי גורם ליונים לנוע במעגלים במישור שמאונך לשדה. לכן, על ידי הפעלת שדה מגנטי בכיוון ציר z, יונים יהיו כלואים במישור xy, ובתוספת של שדות חשמליים היוצרים בור פוטנציאל בציר z, ניתן לכלוא יונים. 
כמו במקרה של מלכודות פאול, יונים במלכודות פנינג מבצעים תנודות קטנות מסביב למרכז המלכודת. השימוש העיקרי במלכודות אלו הוא מדידת מסה מדויקת (ספקטרומטריית מסות - mass spectrometry), בטכניקה המבוססת על התמרת פורייה ונקראת FTICR Fourier transform ion cyclotron resonance.

טבעות אחסון

מכשירים אלו, שמקורם בטכנולוגיה ששימשה מאיצי חלקיקים, עושים שימוש בהאצה של יונים וכליאתם במסלולים מעגליים. טבעות האחסון הראשונות שנבנו היו מגנטיות, שבהם היונים מואצים לאנרגיות בסדר גודל של מגה אלקטרון וולט. טבעות אחסון כאלו הוקמו ברחבי אירופה (ASTRID בדנמרק, CRYRING בשוודיה, TSR בגרמניה) ושימשו בתחילה למחקרים בפיזיקה גרעינית, ופיזיקה אטומית, ובהדרגה יותר ויותר לצורך פיזיקה מולקולרית. בשנות ה-90 של המאה ה-20 נבנתה בדנמרק טבעת אחסון אלקטרוסטטית (המבוססת על שדות חשמליים בלבד) הקרויה ELISA, שבה היונים מואצים לאנרגיות נמוכות הרבה יותר (כמה עשרות קילו אלקטרון וולט). אחר כך הוקמו שתי טבעות דומות ביפן, ובקרוב יוקמו טבעות דומות בגרמניה ובשוודיה. במקביל, הומצאה על ידי דניאל זייפמן ועודד הבר מישראל מלכודת העובדת על עיקרון דומה. במתקן זה, יונים המואצים לאנרגיה של 4keV מתנדנדים בין שתי מראות אלקטרוסטטיות.

שימושים של מלכודות יונים

למלכודות יונים כמה שימושים עיקריים: מדידה מדויקת של מסות, קירור של יונים וחישובים קוונטיים. ספקטרומטריית מסות, כלומר מדידה של מסות, יכולה להתבצע במלכודות יונים על ידי מדידה של התדרים שבהם היונים מתנדנדים סביב מרכז המלכודת. ככל שהיונים לכודים זמן רב יותר כך הדיוק של המלכודות הללו רב יותר. השימוש הזה הפך מלכודות יונים, בעיקר מסוג פנינג, לכלי חשוב בביולוגיה ובכימיה. בנוסף, מלכודות אלו משמשות לביצוע המדידות המדויקות ביותר של קבועים פיזיקליים.
קירור יונים הוא שלב חשוב בניסויים רבים על יונים שבהם יש משמעות למצב ההתחלתי של היונים. קירור יונים הוא גם שלב חשוב בשימושים של מלכודות יונים לצורך חישובים קוונטיים. בתחום זה מנסים להשתמש בחוקי תורת הקוונטים על מנת לבצע פעולות חישוב בצורה יעילה הרבה יותר מאשר במחשבים רגילים. מלכודות יונים היא אחת השיטות המרכזיות ביישום מערכות שמבצעות חישובים קוונטיים. לצורך חישובים אלו, כל יון מתפקד בתור ביט קוונטי, היכול להיות במצב היסוד שלו או במצב מעורר, ובעזרת לייזרים ניתן לבצוע פעולות חישוב על היונים.