Trampa de Penning-Malmberg

La trampa de Penning-Malmberg ( trampa PM ), que recibe su nombre de Frans Penning y John Malmberg , es un dispositivo electromagnético utilizado para confinar grandes cantidades de partículas cargadas de un solo signo. El gran interés en las trampas de Penning-Malmberg (PM) surge del hecho de que, si la densidad de partículas es alta y la temperatura es baja, el gas se convierte en un plasma de un solo componente. ^{[ 1 ]} Si bien el confinamiento de plasmas eléctricamente neutros suele ser difícil, los plasmas de una sola especie (un ejemplo de plasma no neutro ) pueden confinarse durante largos períodos en trampas PM. Son el método preferido para estudiar diversos fenómenos de plasma. También se utilizan ampliamente para confinar antipartículas como positrones (es decir, antielectrones) y antiprotones para su uso en estudios de las propiedades de la antimateria y las interacciones de las antipartículas con la materia. ^{[ 2 ]}

En la figura 1 se muestra un diseño esquemático de una trampa PM. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Partículas cargadas de un solo signo de carga se confinan en el vacío dentro de una estructura de electrodos que consiste en una pila de cilindros metálicos huecos. Un campo magnético axial uniforme${\displaystyle B}$se aplica para inhibir el movimiento radial de positrones y se imponen voltajes en los electrodos de los extremos para evitar la pérdida de partículas en la dirección del campo magnético. Esto es similar a la disposición en una trampa de Penning , pero con un electrodo de confinamiento extendido para atrapar un gran número de partículas (por ejemplo,${\displaystyle N\geq 10^{10}}$).

Estas trampas son famosas por sus buenas propiedades de confinamiento. Esto se debe a que, para un campo magnético suficientemente fuerte, el momento angular canónico${\displaystyle L_{z}}$de la nube de carga (es decir, incluyendo el momento angular debido al campo magnético B) en la dirección${\displaystyle z}$del campo es aproximadamente ^{[ 3 ]}

dónde${\displaystyle r_{j}}$es la posición radial de la${\displaystyle j}$partícula,${\displaystyle N}$es el número total de partículas, y${\displaystyle {\omega _{c}}=eB/m}$es la frecuencia ciclotrónica , con masa de partícula m y carga e. Si el sistema no tiene asimetrías magnéticas o electrostáticas en el plano perpendicular a${\displaystyle B}$, no hay pares de torsión en el plasma; por lo tanto${\displaystyle L_{z}}$es constante, y el plasma no puede expandirse. Como se explica más adelante, estos plasmas sí se expanden debido a asimetrías magnéticas y/o electrostáticas que se cree que se deben a imperfecciones en la construcción de la trampa.

Las trampas PM se llenan típicamente usando fuentes de partículas cargadas de baja energía. En el caso de los electrones, esto puede hacerse usando un filamento caliente o un cañón de electrones . ^{[ 4 ]} Para los positrones, se puede usar una fuente de radioisótopo sellada y un "moderador" (este último usado para ralentizar los positrones a energías de electronvoltios). ^{[ 2 ]} Se han desarrollado técnicas para medir la longitud, el radio, la temperatura y la densidad del plasma en la trampa, y para excitar ondas y oscilaciones de plasma . ^{[ 2 ]} Con frecuencia es útil comprimir los plasmas radialmente para aumentar la densidad del plasma y/o para combatir el transporte inducido por asimetría. ^{[ 5 ]} Esto puede lograrse aplicando un par al plasma usando campos eléctricos rotatorios [la llamada técnica de "pared rotatoria" (RW) ], ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} o en el caso de plasmas iónicos, usando luz láser. ^{[ 9 ]} Se pueden lograr tiempos de confinamiento muy largos (horas o días) usando estas técnicas.

El enfriamiento de partículas suele ser necesario para mantener un buen confinamiento (por ejemplo, para mitigar el calentamiento producido por los pares de torsión de RW). Esto puede lograrse de diversas maneras, como mediante colisiones inelásticas con gases moleculares ^{[ 2 ]} o, en el caso de iones, mediante láseres ^{[ 9 ] [ 10 ]} . En el caso de electrones o positrones, si el campo magnético es suficientemente intenso, las partículas se enfriarán por radiación ciclotrónica ^{[ 11 ]} .

El confinamiento y las propiedades de los plasmas de una sola especie en (lo que ahora se conoce como) trampas PM fueron estudiados por primera vez por John Malmberg y John DeGrassie. ^{[ 4 ]} Se demostró que el confinamiento era excelente en comparación con el de los plasmas neutros. También se demostró que, si bien era bueno, el confinamiento no era perfecto y se producían pérdidas de partículas.

Las trampas de Penning-Malmberg se han utilizado para estudiar diversos mecanismos de transporte. La Figura 2 muestra un estudio inicial del confinamiento en una trampa PM en función de la presión de fondo del gas helio . A presiones más altas, el transporte se debe a colisiones electrón-átomo, mientras que a presiones más bajas, existe un mecanismo de pérdida de partículas independiente de la presión. Se ha demostrado que este último mecanismo ("transporte anómalo") se debe a asimetrías magnéticas y electrostáticas inadvertidas y a los efectos de las partículas atrapadas. ^{[ 5 ]} Existe evidencia de que el confinamiento en las trampas PM mejora si el electrodo de confinamiento principal (azul en la Fig. 1) se reemplaza por una serie de cilindros coaxiales polarizados para crear un pozo de potencial que varía suavemente (una "trampa PM de múltiples anillos"). ^{[ 12 ]}

Un área de investigación fructífera surge del hecho de que los plasmas en trampas PM pueden usarse para modelar la dinámica de flujos de fluidos bidimensionales no viscosos . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} Las trampas PM también son el dispositivo de elección para acumular y almacenar antipartículas como positrones y antiprotones. ^{[ 2 ]} Se ha logrado crear plasmas de positrones y antiprotones ^{[ 18 ]} y estudiar la dinámica del plasma de positrones de haz de electrones. ^{[ 19 ]}

Los plasmas de iones puros pueden enfriarse con láser hasta alcanzar estados cristalinos. ^{[ 20 ]} Los plasmas criogénicos de iones puros se utilizan para estudiar el entrelazamiento cuántico . ^{[ 21 ]} Las trampas PM también proporcionan una excelente fuente de haces de positrones fríos. Se han utilizado para estudiar con precisión átomos de positrónio (Ps) (el estado ligado de un positrón y un electrón, tiempo de vida ≤ 0,1 μs) y para crear y estudiar la molécula de positrónio (Ps${\displaystyle _{2}}$,${\displaystyle e^{+}e^{-}e^{+}e^{-}}$). ^{[ 22 ] [ 23 ]} Recientemente, se han utilizado haces de positrones basados ​​en trampas PM para producir haces prácticos de átomos de Ps. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

El antihidrógeno es el estado ligado de un antiprotón y un positrón , y el antiátomo más simple. Las trampas PM anidadas (una para antiprotones y otra para positrones) han sido fundamentales para los esfuerzos exitosos de crear, atrapar y comparar las propiedades del antihidrógeno con las del hidrógeno. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Los plasmas de antipartículas (y los plasmas de electrones utilizados para enfriar los antiprotones) se ajustan cuidadosamente con una serie de técnicas desarrolladas recientemente para optimizar la producción de átomos de antihidrógeno. ^{[ 30 ]} Estos antiátomos neutros se confinan luego en una trampa de campo magnético mínimo. ^{[ 31 ]}

• Trampa de corral