Kõige täpsemad kellad on optilised kellad ja sellised töötavad üksikutel tseesiumi ioonidel. Aga kuidas eraldada reaalse maailma tohuvabohust ühte aatomit? Tavaline on ju olukord, kus aatom või  molekul on nähtamatult väikesena miljardite omasuguste seas, mis kõik neelavad ja kiirgavad valgust ning liiguvad, põrgates ühtepuhku oma naabritega.

Miks ioonid? Esiteks, ioonid ei ole midagi enamat ega vähemat kui aatomid, millel on üks või mitu elektroni puudu (vahel ka üle, aga lisaelektron ei püsi aatomi küljes kuigi kaua). Ioon seega ka käitub nagu vastav aatom – tal on samasugused elektronide võimalikud energiatasemed ja ta neelab või kiirgab sama värvusega valgust –  aga tal on ka väike elektrilaeng. Ja elektrilaeng teeb iooni huvitavaks, kuna elektromagnetiline vastastikmõju on väga tugev ja lubab iooni lihtsalt tõugata ja tõmmata – kui asetada laetud keha iooni lähedusse, siis see liigub. Neutraalsete aatomitega on palju keerulisem, laengutele ta reageerib väga vähe, neid on palju keerulisem manipuleerida.

Ioonlõksudes kasutatakse ioonide liigutamiseks ja nende väiksesse ruumipiirkonda lõksustamiseks elektrijõudu , so asjaolu, et laengud tõukuvad ja tõmbuvad. Aga see on veidi keerulisem, kui ehk esimese hooga võiks arvata – lihtsaim võimalik idee, ümbritseda (positiivselt laetud) ioon positiivsete laengutea, ei tööta.

Põhjus selgub pildilt, kus on kujutatud ristlõige situatsioonist, kus sellist ideed võiks katsetada – neli positiivselt laetud elektroodi ümbritsevad iooni, mida me tahaks lõksustada. On tõesti nii, et kui selline süsteem reaalselt üles seada, siis tekib jõud, mis lükkab iooni elektroodidest eemale, kui see üritab lõksu keskpunktis mõne elektroodi poole liikuda. Aga kui ioon hakkab lõksust välja liikuma elektroodide vahelt, ei takista tal miski seda tegemast. On hoopis nii, et elektrijõud viskavad ta lõksust välja üsna samamoodi, kui märg seep (või mõni muu tahke ja libe keha)  hüppab välja sõrmede vahelt, kui üritada seda kõvasti pigistada.

Nüüd te võite öelda “Lihtne! Lihtsalt lisa veel elektroode ja blokeeri kõik võimalikud teed lõksust välja! Aga see ei ole nii lihtne – ükskõik milline elektroodide paigutus jätab pragusid, kust ioon välja pääseb. Hullem veel, mida rohkem on elektroode, seda väiksemaks jääb ioonile mõjuv kogujõud. Kui minna täispangale ja ümbritseda ioon laetud sfääriga, kaob ioonile mõjuv elektrijõud sootuks, see võrdub nulliga kogu sfääri ulatuses. Mis tähendab, et ioon selle asemel, et olla paigal väikses ruumalas sfääri keskel, on vaba uitama kõikjal sfääris.

Olgu siis, positiivsete laengutega on ühel pool. Äkki läheb negatiivsete laengutega paremini? Aga ei ühti, nagu selgitab joonis vasakul. Jah, ioon tõmbub negatiivse laengu poole, aga ta liigub elektroodile, mitte lõksu keskele. Täpselt lõksu keskel olevale ioonile mõjuv kogujõud on küll null (st iooni tõmmatakse kõigi elektroodide poole täpselt ühesuguse jõuga), aga väikseimgi kõrvalekalle ühes või teises suunas lõpeb sellega, et ioon tõmmatakse elektroodi külge ja seda me ei soovi.

Selle probleem saab teoreetiliselt lahendada vektorväljade korral kehtiva Gaussi seaduse abil. Me oleme proovinud konstrueerida olukorda, kus suvalises punktis lõksu sees mõjuks positiivsele laengule jõud lõksu keskme suunas. Selgub, et ainus viis seda saavutada on panna meie lõksu keskele negatiivne laeng. Ja kui me teaks, kuidas seda teha, siis oleks meie probleem juba lahendatud.

On siiski võimalus sellest seadusest mööda hiilida. Peame lihtsalt teadma, millistel eeldustel see kehtib – võimatu on paigalseisvate (staatiliste) laengute asetus, kus mõjuks kirjeldatud jõud lõksu keskme suunas. Aga seda on võimalik teha, kui laeng võib ajas muutuda.

Kõige levinum skeem ioonide lõksustamiseks kannab nime Pauli lõks ja on saanud oma nime Wolfgang Paulilt, kes selle esimesena välja pakkus. Skeem töötab nii: alustuseks on neli elektroodi laetud nii, nagu näidatud joonisel (vasakul), kaks positiivselt ja kaks negatiivselt. Nii tõmbavad kaks elektroodi iooni lõksu keskme poole, kaks tõukavad seda sealt välja. Kui ioon on veidi lõksu keskmest eemal, hakakb ta liikuma ühe või teise negatiivse elektroodi poole.

Aga enne, kui ta jõuab väga kaugele liikuda, muudame me elektroodide polaarsust. Mis oli enne positiivne on nüüd negatiivne, nii ioon lükatakse tagasi lõksu keskme suunas. Pärast mida ta hakkab liikuma ühe poole teisest kahest elektroodist. Ja siis elektroodide polaarsus jälle muutub. Ja nii muudkui kiiresti edasi-tagasi kahe konfiguratsiooni vahel.

Selliselt loome olukorra, kus keskmine ioonile mõjuv jõud on suunatud lõksu keskme suunas. Igal ükskul ajahetkel võib jõud olla suunatud erinevates suundades, aga ajas keskmiselt mõjub jõud lõksu keskme suunas, nii et ioon jääb sinna pidama.

See on lõksu lihtsustatud kahedimensionaalne mudel. Enamuses lõksustamise eksperimentides kasutatav geomeetria on veidi komplitseeritum, nagu näitab järgnev joonis.

Selline lineaarne Pauli lõks hoiab ioone joonel nelja pika välimise elektroodi (sinised silindrid) ja positiivselt laetud "otsakorgi" (punased lühikesed silindrid) abil. Otsakorkide ülesandeks on hoida ioone paigal välimiste elektroodide sihis (joonisel on meile lähemad otsakorgid ära jäetud, et teised joonise detailid paremini näha oleks). Selliselt tekib piki lõksu telge piklik ruumala, kuhu ioonid kinni jäävad.

Hea asi selliste lõksude juures on see, et kui lõksu satub mitu iooni, siis nad moodustavad piki lõksu telge ilusa sirge rivi, jäädes üksteisest omavaheliste tõukejõududega määratud kaugustele. Ja kui ühte iooni tõugata, siis liiguvad ka teised, nii et on võimalik teha igasuguseid lahedaid katseid.

Märgime, et selline seade on aatomkellade südameks ja üks võimalik moodus, kuidas luua kvantarvuteid. 

Allikas:

http://chadorzel.steelypips.org/principles/2010/11/11/how-do-you-trap-an-ion-anyway/