Electrodinámica cuántica

Electron beam ion trap

En física, EBIT es el acrónimo de electron beam ion trap, o trampa de iones por haz electrónico. Se trata de un aparato que permite ionizar átomos, generando iones de carga positiva que quedan atrapados por el campo eléctrico que los mismos electrones inducen por su carga negativa. Es un dispositivo compacto que permite alcanzar los estados de carga iónicos más altos, llegando a poder arrancar todos sus electrones aún a los elementos más pesados, incluido el uranio hasta el nivel U⁹²⁺, o sea dejando el núcleo desnudo de electrones. El exponente acompanando al símbolo químico indica aquí el número de cargas positivas que porta el ion, y por lo tanto, el número de electrones que ha perdido el átomo original. Otro ejemplo clásico sería el ion de hierro Fe¹³⁺, que domina el espectro de lacorona solar debido a la fuerte línea espectral verde, con una longitud de onda de 530,3 nanómetros que éste ion emite. Por este motivo, la raya ya fue detectada durante el eclipse solar total de 1869, aunque la explicación ´de su origen hubo de esperar al desarrollo de lafísica atómica en el siglo XX. Estos iones se denominan iones de alto estado de carga, en la literatura anglosajona highly charged ions (HCI).

El principio básico es el uso de un haz de electrones de una intensidad alta en una cámara de alto vacío, que se enfoca por medio de un fuerte campo magnético, concéntrandolo en un diámetro de menos de una décima de milímetro. Los electrones son acelerados porpotenciales eléctricos positivos de hasta 200000 voltios, alcazando la zona central con una energía suficiente para ionizar por impacto átomos allí introducidos previamente. Estas colisiones son muy frecuentes, dada la intensidad del haz de electrones, y producen inmediatamente iones positivos al hacer perder a los átomos parte de su corteza electrónica. Los iones permanecen atrapados en el interior del haz electrónico o en sus cercanías por virtud de su carga positiva, que se ve atraída por las cargas negativas del haz. Este eficaz confinamiento permite prolongar la acción ionizadora de los electrones por periodos de tiempo de hasta varios minutos, con el resultado de que todos aquellos electrones del átomo que están ligados al núcleo con una energía de ionización inferior a la energía cinética de los electrones del haz puedan ser liberados en sucesivas colisiones. A medida que el átomo pierde más y más electrones, laenergía de ionización de los electrones ligados remanentes aumenta considerablemente, exigiendo esto la alpicación de voltajes de aceleración elevados. Para evitar una evasión de los iones de alto estado de carga ya producidos del ámbito de la trampa en la dirección del haz, una serie de electrodos de forma anular crean un campo electrostático con un mínimo de potencial en la zona central de la trampa, en el que los iones se acumulan.

El número de iones almacenado suele ser del orden de un millón, contenidos en un volumen cilíndrico de unas décimas de milímetro en diámetro y una longitud de pocos centímetros. Lás cámaras de alto vacío utilizadas han de cumplir requisitos muy estrictos en cuanto a la calidad del vacío alcanzada para evitar la destrucción de iones por colisiones con gases residuales. En general, el interior de los recipientes y los electrodos son refrigerados a temperaturas próximas al punto de licuefacción del helio, o sea 4 K, consiguiendo así condensar prácticamente todos los residuos no extraídos por la bomba de vacío. De esta forma se llega a alcanzar un nivel de vacío similar a las regiones más densas del medio interestelar.

Esquema básico de una EBIT. En rojo: fuente de electrones, en negro: electrodos, en verde: imán superconductor. El haz de electrones (en azul) produce y acumula iones positivos en el centro del aparato.

Los iones de alto estado de carga confinados en la trampa son investigados con instrumentación adecuada, tal y como por medio de espectrómetros y detectores de rayos X, y todo tipo deespectroscopios. De esta forma se consigue recrear en el laboratorio las condiciones de la materia en plasmas a temperaturas muy elevadas de hasta más de 100 millones de kelvin, tal y como reinan en el ámbito de la corona solar, el interior del Sol, las nubes interestelares, losrestos de supernovas, y las nebulosas planetarias. Desde su introducción, el uso de dispositivos EBIT ha servido para producir una gran cantidad de datos científicos relacionados con laastrofísica y los plasmas utilizados en los reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético para controlar la fusión nuclear y aprovecharla como fuente de energía. También se prevén algunas posibles aplicaciones comerciales a la microlitografía y tratamiento nanoscópico de superficies por HCI.

Un aspecto muy importante es el estudio de la electrodinámica cuántica del electrón ligado a núcleos pesados y sometido por a los poderosos campos eléctromagnéticos nucleares. Los desplazamientos de Lamb (Efecto Lamb) de estos iones crecen con la cúarta potencia del número atómico y llegan a alcanzar valores de 470 electrón voltios, millones de veces mayores que los medibles en el estado neutral del átomo. Este incremento del efecto Lamb permite investigar aspectos de la teoríaelectrodinámica cuántica para los cuales la teoría aún no ha alcanzado el grado de certidumbre al que se aspira, ya que la teoría perturbativa aplicada normalmente a las correcciones radiativas como la polarización del vacío y la autoenergía del electrón pierde aquí sus propiedades de convergencia.

Actualmente existen aproximadamente una docena de dispositivos EBIT de alta potencia en laboratorios de todo el mundo. El modelo original [1] fue desarrollado por Morton Levine y Ross Marrs en el Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore (Estados Unidos), y entró en operación en 1986. De éste existen copias en la universidad de Oxford, en los laboratorios del NIST en Gaithersburg, en Berkeley y en Berlín. Posteriores modelos fueron desarrollados y operan en Tokyo, MPIK Heidelberg, Shanghai y Estocolmo. Actualmente ya ha aparecido una versión comercial miniaturizada con prestaciones reducidas.

Una Trampa Electron Beam Ion (EBIT) es un dispositivo que produce, trampas, y excita los iones altamentecargados. Los iones o bien se pueden observar en la propia trampa o extraídos de la trampa para los experimentos externos.
Los experimentos con iones altamente cargados están en la vanguardia de la investigación de la física en varias áreas en la actualidad. Estos iones se utilizan para estudiar la relatividad, la electrodinámica cuántica, la física del plasma y la física de la superficie.
En 1994, el uranio desnuda (U ^{92+) fue producido utilizando el}Súper EBIT en el Laboratorio Nacional LawrenceLivermore, la primera vez que esta hazaña se ha logrado sin el uso de aceleradores de partículas de alta energía.

¿Qué es un EBIT?

Una Trampa Electron Beam Ion, o EBIT, es un dispositivo que hace trampas y muy altamente cargadas iones por medio de un haz de electrones de alta densidad de corriente. El EBIT fue inventado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore por Mort Levine y Ross Marrs. Era una idea basada en el haz de electrones Ion Fuente (EBIS), un diseño para una fuente de iones destinados a ser utilizados en la física atómica y como un inyector en aceleradores de iones pesados. En este país, EBISes se han construido en el estado de Kansas, el Laboratorio Nacional de Brookhaven, la Universidad de Cornell, y (en colaboración con nuestro grupo) en LBNL.
El EBIT es la única fuente de iones en el mundo que puede crear iones altamente cargados en reposo. Todas las demás fuentes de iones altamente cargados implican aceleradores que aceleran los iones a energías muy altas.El EBIT, por lo tanto, nos permite estudiar un dominio de otro modo inaccesibles en los que la energía potencial de un ion es comparable a su energía cinética.

Cómo funciona un EBIT

Un EBIT consiste en un haz de electrones de alta densidad de corriente (hasta 5000 A / cm ^ 2) que pasa a través de una serie de tres tubos de deriva. Los iones son atrapados radialmente por la carga espacial del haz de electrones en sí, y axialmente por voltajes aplicados a los tubos de deriva final.
El haz de electrones se comprime magnéticamente por un campo magnético de alta de un par de bobinas de Helmholtz superconductor. La energía del haz de electrones en la trampa está determinada por la tensión aplicada al tubo de deriva central.
deriva

Cuando los electrones chocan con los iones en el haz, se desnudan los electrones hasta que la energía requerida para retirar el siguiente electrón es mayor que la energía del haz. Nuestro EBIT original es capaz de una energía de haz de electrones de aproximadamente 30 keV, lo suficiente para hacer uranio neonlike (U ^{82+, o un átomo de uranio con sólo 10 de los habituales 92 electrones).}Hemos construido un EBIT de alta energía, llamada Super-EBIT, con un cañón de electrones flotante, que puede alcanzar una energía de haz de electrones de 200 keV, suficiente para hacer que el uranio desnudo (U ^{92+, un núcleo de uranio sin electrones alrededor de ella) .}

Lagrangiano de Euler-Heisenberg

En fFísica, el lagrangiano de Euler–Heisenberg describe la dinámica no lineal del campo electromagnético en el vacío. Este lagrangiano nos da las contribuciones de la polarización del vacío a 1 loop, y es válido para campos electromagnéticos que cambian despacio comparado con el inverso de la masa del electrón.

Este lagrangiano fue obtenido por primera vez por Werner Heisenberg y Hans Heinrich Euler,¹ y tiene la siguiente forma::

$\mathcal{L} =-\mathcal{F} -\frac{1}{8\pi^{2}}\int_{0}^{\infty}\frac{ds}{s^{3}}\exp\left(-m^{2}s\right)\left[(es)^{2}\frac{\operatorname{Re}\cosh\left(es\sqrt{2\left(\mathcal{F} + i\mathcal{G}\right)}\right)}{\operatorname{Im}\cosh\left(es\sqrt{2\left(\mathcal{F} + i\mathcal{G}\right)}\right)}\mathcal{G}-\frac{2}{3}(es)^{2}\mathcal{F} - 1\right],$

donde:

$m$ es la masa del electrón,
$e$ es su carga, y
$\mathcal{F}$ y $\mathcal{G}$ son los escalares invariantes bajo transformaciones de Lorentz del campo electromagnético:

$\mathcal{F}=\frac{1}{2}\left(\mathbf{B}^2 - \mathbf{E}^2\right),$

$\mathcal{G}=\mathbf{E}\cdot\mathbf{B}.$

En el límite de campo débil (aunque mucho mayor que los campos electromagnéticos que se pueden producir hoy día), se puede aproximar por:

$\mathcal{L} = \frac{1}{2}\left(\mathbf{E}^{2}-\mathbf{B}^{2}\right)+\frac{2\alpha^{2}}{45 m^{4}}\left[\left(\mathbf{E}^2 - \mathbf{B}^2\right)^{2} + 7 \left(\mathbf{E}\cdot\mathbf{B}\right)^{2}\right],$