Línea de Trampas Penning

Para llevar a cabo el experimento de conexión entre iones, se ha construido una línea de trampas Penning similar a las existentes en otras instalaciones que las emplean para el estudio de elementos exóticos en la naturaleza (ISOLTRAP, SHIPTRAP, IGISOL).

La Figura 1 muestra un esquema general de la línea al completo. Los iones se generan a través del proceso de desorción láser, donde un láser pulsado de Nd:YAG de alta potencia incide sobre una muestra almacenada en una fuente MALDI-TOF. Los iones son conducidos hacia las trampas Penning por medio de lentes y deflectores electrostáticos alojados en la denominada sección de transferencia. Las trampas Penning se encuentran en el seno de un campo magnético de 7 T generado por un imán superconductor, donde se lleva a cabo la separación y el enfriamiento de los iones. Finalmente, los iones son expulsados hacia la sección de tiempo de vuelo (TOF) e inciden sobre un detector de microcanales (MCP) que recoge la señal producida por los mismos para su posterior identificación.

the_beamline

Figura 1: Imagen 3D de la línea de trampas Penning de la Universidad de Granada. Los iones procedentes de la fuente MALDI-TOF entran en la línea desde la derecha de la imagen. Las cámaras de vacío posteriores forman la sección de transferencia hacia el imán superconductor. El imán contiene las dos trampas Penning existentes en la instalación. A la izquierda de la imagen se muestra el detector MCP para llevar a cabo el método de identificación TOF-ICR (Click en la imagen para ampliar).

La línea se encuentra operativa al completo y se ha logrado obtener medidas de identificación para diferentes especies iónicas, entre ellas el 40Ca+. Actualmente, la actividad en el experimento se centra en el estudio de iones enfriados por láser en un campo magnético de 7 T con el objetivo de realizar espectrometría de masas con trampas Penning a través de la señal de fluorescencia de iones de 40Ca+ enfriados por láser. La Figura 2 muestra el espectro de fluorescencia medido para un cristal de dos iones de 40Ca+ confinados en una trampa Paul, así como del espectro que obtendríamos para un cristal formado por iones de 40Ca+ y 187Re+ confinados en nuestro experimento con trampas Penning. De esta manera, la determinación de la frecuencia de oscilación del cristal por medio de la señal de fluorescencia del ion enfriado permitirá obtener la masa del ion de interés con un nivel elevado de precisión.

sympathetic

Figura 2: Respuesta de la distribución axial de fluorescencia de diferentes especies iónicas ante una excitación dipolar. a) Espectro medido para un cristal iónico formado por dos iones de 40Ca+. b) Detalle de la región señalada en línea discontinua, donde se observa que la frecuencia de oscilación obtenida es de 79.7 kHz. c) Espectro de fluorescencia axial predicho para un cristal iónico de 40Ca+ y 187Re+. d) Detalle de la región señalada en línea discontinua, donde se observa que la frecuencia de oscilación es inferior respecto al caso de 40Ca+ - 40Ca+ (Click en la imagen para ampliar).

La Figura 3 indica el esquema de niveles del 40Ca+ cuando se aplica un campo magnético de 7 T. El proceso de enfriamiento Doppler se complica por dos factores: en primer lugar, el desdoblamiento de los niveles de energía debido al efecto de Zeeman de primer y segundo orden, y en segundo lugar por el efecto “J mixing” que requiere el bombeo de estados metaestables adicionales a través de transiciones con una longitud de onda de 854 nm. Esto implica el empleo de una compleja infraestructura de láseres para estimular un total de 12 transiciones ópticas (haga click en el siguiente enlace para ver una descripción detallada del sistema láser).

esq_niv_doppler

Figura 3: Esquema de niveles del ion de 40Ca+ en el seno de un campo magnético de 7 T. Las flechas azules indican las transiciones necesarias para el enfriamiento Doppler, las flechas rojas indican las transiciones de bombeo (854 nm y 866 nm) que deben estimularse para evitar la interrupción del proceso de enfriamiento. Las flechas discontinuas indican aquellas transiciones que se estimulan mediante el uso de un modulador electro-óptico (Click en la imagen para ampliar).

En las condiciones actuales del experimento se ha llevado a cabo el enfriamiento Doppler de nubes de iones de 40Ca+ almacenados en la trampa Penning de medida, lo cual supone un primer paso importante para llevar a cabo el enfriamiento Doppler de un único ion de 40Ca+ en el seno de un campo magnético de muy alta intensidad (7 T). Estos resultados, junto con la caracterización de la trampa Penning de medida, han sido publicados recientemente en la revista New Journal of Physics (ver Referencias).

Referencias:

  • M. J. Gutiérrez, J. Berrocal, J. M. Cornejo, F. Domínguez, J. J. Del Pozo, I. Arrazola, J. Bañuelos, P. Escobedo, O. Kaleja, L. Lamata, R. A. Rica, S. Schmidt, M. Block, E. Solano and D. Rodríguez.
    “The TRAPSENSOR facility: an open-ring 7 tesla Penning trap for laser-based precision experiments”
    New Journal of Physics 21 023023 (2019)