Penning-felle

En Penning-felle er en innretning for lagring av ladede partikler ved bruk av et homogent aksialt magnetfelt og et inhomogent kvadrupol elektrisk felt. Denne typen felle er spesielt godt egnet til presisjonsmålinger av egenskapene til ioner og stabile subatomære partikler. Geoniumatomer er blitt opprettet og studert på denne måten for å måle elektronmagnetmomentet. Nylig har disse fellene blitt brukt i den fysiske realiseringen av kvanteberegning og kvanteinformasjonsbehandling ved å fange qubits. Penning-feller brukes i mange laboratorier over hele verden, inkludert CERN, for å lagre antimaterie som antiprotoner.

Historie 
Penning-fellen ble oppkalt etter F. M. Penning (1894–1953) av Hans Georg Dehmelt (1922–2017) som bygde den første fellen. Dehmelt fikk inspirasjon fra vakuummåleren bygget av F. M. Penning der en strøm gjennom et utløpsrør i et magnetfelt er proporsjonal med trykket. Sitering fra H. Dehmelts selvbiografi:"Jeg begynte å fokusere på magnetron/Penning-utladningsgeometrien, som i Penning-ionmåleren hadde fanget min interesse allerede i Göttingen og hos Duke. I deres syklotronresonansarbeid på 1955 på fotoelektroner i vakuum hadde Franken og Liebes rapportert om uønskede frekvensskift. forårsaket av utilsiktet elektronisk fangst. Analysen deres fikk meg til å innse at i et rent elektrisk firepolefelt ville skiftet ikke avhenge av plasseringen av elektronet i fellen. Dette er en viktig fordel i forhold til mange andre feller som jeg bestemte meg for å utnytte. En magnetron felle av denne typen hadde blitt diskutert kort i JR Pierces bok fra 1949, og jeg utviklet en enkel beskrivelse av aksjonene, magnetronene og syklotronbevegelsene til et elektron i den. Ved hjelp av ekspertglassblåseren fra avdelingen, Jake Jonson, bygde jeg min første magnetiske felle med høyt vakuum i 1959 og klarte snart å fange elektroner i omtrent 10 sekunder og oppdage aksiale, magnetron- og syklotronresonanser. "- H. DehmeltH. Dehmelt delte Nobelprisen i fysikk i 1989 for utviklingen av teknikken med ionefeller.

Bruk av fellen 

Penning-feller bruker et sterkt homogent aksialt magnetfelt for å begrense partikler radielt og et kvadrupol elektrisk felt for å begrense partiklene aksialt. Det statiske elektriske potensialet kan genereres ved hjelp av et sett med tre elektroder: en ring og to endekapper. I en ideell Penning-felle er ringen og endekappene hyperboloider. For fangst av positive (negative) ioner holdes endekapselektrodene på et positivt (negativt) potensial i forhold til ringen. Dette potensialet gir et sadelpunkt i midten av fellen, som fanger ioner langs den aksiale retningen. Det elektriske feltet får ioner til å svinge seg (harmonisk i tilfelle en ideell Penning-felle) langs felleaksen. Magnetfeltet i kombinasjon med det elektriske feltet får ladede partikler til å bevege seg i radialplanet med en bevegelse som sporer ut en epitrochoid.

Orbitalbevegelsen til ioner i det radiale planet består av to modi ved frekvenser som kalles magnetronen  og den modifiserte syklotronen  frekvenser. Disse bevegelsene ligner henholdsvis den utsatte og epicycle av den Ptolemaiske modellen til solsystemet.

Summen av disse to frekvensene er syklotronfrekvensen, som bare avhenger av forholdet mellom elektrisk ladning og masse og av styrken til magnetfeltet. Denne frekvensen kan måles veldig nøyaktig og kan brukes til å måle massene av ladede partikler. Mange av de mest presise massemålingene (massene av elektronet, protonen, 2H, 20Ne og 28Si) kommer fra Penning-feller.

Buffergaskjøling, resistiv kjøling og laserkjøling er teknikker for å fjerne energi fra ioner i en Penning-felle. Buffergassavkjøling er avhengig av kollisjoner mellom ionene og nøytrale gassmolekyler som bringer ionenergien nærmere energien til gassmolekylene. Ved resistiv avkjøling blir ladninger i bevegelige bilder i elektrodene laget for å jobbe gjennom en ekstern motstand, noe som effektivt fjerner energi fra ionene. Laserkjøling kan brukes til å fjerne energi fra noen typer ioner i Penning-feller. Denne teknikken krever ioner med en passende elektronisk struktur. Strålingskjøling er prosessen der ionene mister energi ved å skape elektromagnetiske bølger i kraft av deres akselerasjon i magnetfeltet. Denne prosessen dominerer kjøling av elektroner i Penning-feller, men er veldig liten og vanligvis ubetydelig for tyngre partikler.

Å bruke Penning-fellen kan ha fordeler i forhold til radiofrekvensfellen (Paul-fellen). For det første, i Penning-fellen påføres bare statiske felt, og det er derfor ingen mikrobevegelse og resulterende oppvarming av ionene på grunn av de dynamiske feltene, selv for utvidede 2- og 3-dimensjonale ion Coulomb-krystaller. Penning-fellen kan også gjøres større samtidig som den opprettholder sterk fangst. Det fangne ionet kan deretter holdes lenger borte fra elektrodeoverflatene. Interaksjon med patch-potensialer på elektrodeoverflatene kan være ansvarlig for oppvarming og dekoherenseffekter, og disse effektene skaleres som en høy effekt av den omvendte avstanden mellom ionet og elektroden.

Fourier-transform massespektrometri 

Fourier-transform ion syklotron resonans massespektrometri er en type massespektrometri som brukes for å bestemme masse-til-ladningsforholdet (m/z) av ioner basert på ionens syklotronfrekvens i et fast magnetfelt. Ionene er fanget i en Penning-felle der de blir begeistret for en større syklotronradius av et oscillerende elektrisk felt som er vinkelrett på magnetfeltet. Eksitasjonen resulterer også i at ionene beveger seg i fase (i en pakke). Signalet oppdages som en bildestrøm på et par plater som pakken med ioner passerer nær mens de syklotroner. Det resulterende signalet kalles et fritt induksjonsforfall (fid), transient eller interferogram som består av en overstilling av sinusbølger. Det nyttige signalet ekstraheres fra disse dataene ved å utføre en Fourier-transformasjon for å gi et massespektrum.

Enkelte ioner kan undersøkes i en Penning-felle som holdes ved en temperatur på 4 K. For dette er ringelektroden segmentert og motsatte elektroder er koblet til en superledende spole og kilden og porten til en felteffekt-transistor. Spolen og de parasittiske kapasitansene til kretsen danner en LC-krets med en Q på omtrent 50 000. LC-kretsen blir eksitert av en ekstern elektrisk puls. De segmenterte elektrodene kobler enkeltelektronens bevegelse til LC-kretsen. Dermed svinger energien i LC-kretsen i resonans med ionen sakte mellom de mange elektronene (10000) i porten til felteffekt-transistoren og enkeltelektronen. Dette kan oppdages i signalet ved avløpet av felteffekttransistoren.

Geoniumatom 
Et geoniumatom, så kalt fordi det er bundet til jorden, er et pseudo-atomsystem opprettet i en Penning-felle, nyttig for å måle grunnleggende parametere for partikler.

I det enkleste tilfellet består det fangede systemet av bare en partikkel eller ion. Et slikt kvantesystem bestemmes av kvantetilstandene til en partikkel, som i hydrogenatomet. Hydrogen består av to partikler, kjernen og elektronet, men elektronbevegelsen i forhold til kjernen tilsvarer en partikkel i et eksternt felt, se massesenterramme.

Egenskapene til geonium er forskjellige fra et typisk atom. Ladningen gjennomgår syklotronbevegelse rundt felleaksen og svinger langs aksen. Et inhomogent magnetisk "flaskefelt" påføres for å måle kvanteegenskapene ved "kontinuerlig Stern-Gerlach" -teknikk. Partikkelens energinivåer og g-faktor kan måles med høy presisjon. Van Dyck, Jr et al. utforsket magnetisk splitting av geoniumspektre i 1978 og i 1987 publiserte høypresisjonsmålinger av elektron- og positron-g-faktorer, som begrenset elektronradiusen.

Enkeltpartikkler 
I november 2017 isolerte et internasjonalt team av forskere en enkelt proton i en Penning-felle for å måle magnetmomentet til den høyeste presisjonen til dags dato. Det ble funnet å være 2.79284734462 (82) kjernemagnetoner. CODATA 2018-verdien samsvarer med dette.

I science fiction 
På grunn av deres evne til å fange opp ladede partikler utelukkende med elektromagnetiske krefter, brukes Penning-feller i Science Fiction som en metode for å lagre store mengder antimateriale. Å gjøre det i virkeligheten vil kreve et vakuum med betydelig høyere kvalitet enn det som nå er mulig.

Referanser 

Måleinstrumenter
Atomfysikk
Massespektrometri