מלכודת יונים

מלכודת יונים ליניארית באוניברסיטת קלגרי

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 אלקטרודינמיות – מלכודת פאול

ערך מורחב – מלכודת פאול

וולפגנג פאול המציא בשנות החמישים מלכודת שזיכתה אותו לימים בפרס נובל לפיזיקה, בשנת 1989. במלכודות אלה היונים לכודים על ידי שדות חשמליים המתנדנדים בזמן. אנלוגיה לאופן לכידה זה הוא האופן שבו לוליינים מצליחים לייצב מטאטא העומד על האצבע שלהם. באופן רגיל מצב זה של המטאטא הוא מצב של שיווי משקל לא יציב - כל סטייה קטנה תגרום למטאטא ליפול. אבל כאשר הלולין מזיז את אצבעו מעלה ומטה מהר מספיק, שיווי המשקל הופך ליציב.

בתכנון הבסיס של מלכודות פאול, האלקטרודות של המלכודת מייצרות שדה חשמלי בצורת אוכף - כלומר שדה חשמלי בו בכיוון אחד יש בו מינימום, אבל בכיוון הניצב הוא מקסימום. כאשר מפעילים על אותם אלקטרודות מתח המשתנה עם הזמן, מתח זה גורם לאוכף להסתובב. כאשר תדר הסיבוב של האוכף מתאים למסת החלקיק, שיווי המשקל הופך ליציב.

מלכודת פאול

התכנון המקורי של פאול נועד ליצור אוכף מדויק, ולכן נקרא כיום מלכודת יונים קוודרופולית (quadrupole ion trap). הוא מבוסס על שתי אלקטרודות בצורת היפרבולה, מלמעלה ומלמטה, ועל אלקטרודה בצורת טבעת באמצע. באותו עיקרון של כליאת יונים משתמשים גם בתכנונים שונים של המלכודת, היכולים להתאים לצרכים שונים. ואולם הרעיון הכללי של לכידת יונים על ידי שדות חשמליים מתנדנדים אינו דורש תכנון מדויק מאוד של המלכודת וישנם גאומטריות רבות המאפשרות לכידה ומשמשות לשימושים שונים. כך לדוגמה עבור חישובים קוונטים נהוג להשתמש בעיקר במלכודת יונים ליניארית המורכבת מארבעה מוטות אשר עליהם מופעל השדה החשמלי המתנדנד, ומאפשרים לכידת יונים המסודרים בשורה לאורך הציר של המלכודת. ישנם תכנונים שונים בהם נעשה שימוש ביותר מארבעה מוטות כאשר הפופולרי ביותר כרגע הוא תכנון של דייטר גרליך שבו נעשה שימוש ב-22 מוטות. היתרון במלכודת זו הוא בכך שהיונים מרגישים את השדות המתנדנדים רק ליד קירות המלכודות, ולעומת זאת ברוב נפח המלכודת הם אינם מרגישים את השפעת השדות החשמליים. סוג זה של מלכודות טוב במיוחד עבור קירור של היונים בתוך המלכודת על ידי התנגשויות עם גאז.

יונים הלכודים במלכודות פאול מבצעים תנועות קטנות מסביב למרכז המלכודת, ותנועות אלו מתאפיינות בצירוף של שלושה תדרים בסיסיים. על ידי שימוש בתדרים אלו ניתן למדוד את המסה של היונים בצורה מדויקת, לברור מסות (להוציא מהמלכודת איזוטופים בעלי מסות שאינן רצויות ולשמור רק על המסות הרצויות) ולקרר את אותם היונים.

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.

קירור של יונים

אחד השימושים הבולטים במלכודות נובע מהיכולת שלהם לקרר יונים, כאשר כאן הכוונה היא לדרגות החופש הפנימיות שלהם (quantum control), או לתנועה החיצונית שלהם. קירור של דרגות החופש הפנימיות נעשה על ידי קירור קרינתי (radiative cooling), כאשר יון הוא חם הוא יכול להתקרר על ידי פליטה של פוטון. תהליך זה לוקח זמן רב (סדר גודל של שניות), ולכן יש צורך ללכוד יונים לזמן רב על מנת לאפשר קירור זה, ובסופו היונים מגיעים לטמפרטורה שבה נמצאת מלכודת היונים.

• קירור על ידי התנגשויות עם גז קירור (buffer gas cooling)- היא טכניקה שבה היונים באים במגע עם גז קר, ודרך התנגשויות הגז מקרר את היונים, הן את דרגות החופש הפנימיות והן את החיצוניות. בדרך כלל נעשה שימוש בגז הליום, שאותו ניתן לקרר בקלות לטמפרטורות נמוכות, והוא כמעט שאינו מגיב עם רוב סוגי המולקולות. סוג זה של קירור יכול להתבצע רק במלכודות שבהם היונים נמצאים במנוחה (מלכודות פאול ומלכודות פנינג). בטבעות אחסון ניתן לקרר יונים על ידי מזיגתם עם קרן של אלקטרונים בעלת מהירות זהה למהירות היונים.

• קירור סטוכסטי (resistive cooling, stochastic cooling) - טכניקות אלו משמשות לקירור דרגות החופש החיצוניות של היונים ומבוססות על מטען חשמלי המושרה על ידי היונים.

• קירור באמצעות לייזרים (laser cooling)- הוא שם כולל לשיטות של קירור יונים וגם אטומים נייטרלים בעזרת שימוש בקרני לייזר.
  • קירור דופלר מאירים בלייזר בתדר מעט יותר נמוך מתדר הרזוננס של האטומים את צבר האטומים מכל הכיוונים. על פי אפקט דופלר כאשר גוף זז לכיוון קרן אור תדר האור מוסט לכחול ולכן האטומים שזזים לכיוון הקרן יראו קרן שהיא בדיוק ברזוננס ויבלעו פוטונים רק מהקרן הזו. כל פוטון יתן לאטום תנע בכיוון הפוך לכיוון התנועה של האטום ויאט אותו, האטום אומנם יפלוט את הפוטון אך בכיוון אקראי.
  • קירור סיזיפוס

• קירור באמצעות אידוי (evaporation cooling) על ידי הורדת גובה המלכודת בהדרגתיות מאפשר ליונים החמים לברוח והקרים נשארים.

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.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מלכודת יונים בוויקישיתוף