Línea de Trampas Penning
Para implementar espectrometría de masas en el régimen cuántico, se ha construido una línea de trampas Penning, con algunos elementos similares a los existentes en otras instalaciones que utilizan este tipo de trampas para las medidas de masas de precisión de núcleos exóticos (ISOLTRAP, SHIPTRAP, IGISOL).
La Figura 1 muestra un esquema general de la línea completa New Journal of Physics 21 023023 (2019). Los iones se generan por desorción láser, utilizando muestras metálicas. Se producen en pulsos cortos y se transportan hacia las trampas Penning a través de una línea de transferencia usando lentes y deflectores electrostáticos. El sistema de trampas Penning está formado por dos trampas, cada una de ellas centrada en una región homogénea de campo magnético generado por el imán superconductor de 7 tesla. La primera trampa se ha construido con las especificaciones de la trampa de preparación de MATS en FAIR. La segunda es una trampa de anillos abierta desarrollada por el grupo. Los iones se pueden detectar por tiempo de vuelo, utilizando un detector de micro-canales (MCP) o a partir de las corrientes inducidas, esto último utilizando el amplificador desarrollado por el grupo. Si son iones de calcio, también se puede observar la señal de fluorescencia a la frecuencia de la transición S1/2--> P1/2 y la señal electrónica de corriente inducida, ganando en sensibilidad al combinar el amplificador con el cristal de cuarzo (resonante con la frecuencia de ciclotrón reducida del ion 40Ca+ en 7 tesla).
La línea está operativa y la actividad actual se centra en el estudio de iones enfriados por láser confinados en la trampa de anillos abierta, en el campo magnético de 7 tesla con el fin de llegar a visualizar un solo ion de esta especie, enfriado primero hasta el límite Doppler y después hasta el estado cero de energía. Este ion es el que se utilizará como sensor para llevar a cabo espectrometría de masas en el régimen cuántico (Quantum Mass Spectrometry). El campo magnético de 7 tesla es el de mayor intensidad de los utilizados en experimentos de enfriamiento por láser, lo que ha supuesto un reto importante en la primera fase del experimento (enfriamiento Doppler). La Figura 2 indica el esquema de niveles del ion 40Ca+ cuando se aplica el campo magnético de 7 T. Con esta intensidad de campo, hay que tener en cuenta el desdoblamiento de los niveles de energía debido al efecto Zeeman de primer y segundo orden. Además, el efecto “J-mixing” requiere el bombeo de estados metaestables adicionales, con láseres emitiendo con una longitud de onda de 854 nm. Esto implica el empleo de un sistema de láseres único para estimular un total de 10 transiciones ópticas. 
Figura 2: Esquema de niveles del ion 40Ca+ en 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 cuyas longitudes de onda se generan mediante el uso de un modulador electro-óptico.
En las condiciones actuales del experimento, se ha llevado a cabo enfriamiento Doppler de nubes de iones de 40Ca+ almacenados en la trampa Penning de medida, en las direcciones axial y radial y se ha instalado en noviembre de 2019, una estructura criogénica que permita reducir la presión residual en el entorno de la trampa, ya que esto es lo que limita llegar a un solo ion.
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)
