Pièges à ions de Paul et de Penning

En physique, les pièges à ions sont des dispositifs permettant de stocker des particules chargées pendant une longue durée, notamment dans le but de mesurer leurs propriétés avec précision. Les pièges de Paul et de Penning ont en commun l'utilisation d'un champ électrique quadripolaire, à haute fréquence (de l'ordre de quelques MHz) dans le piège de Paul, et constant dans le piège de Penning, où il est combiné à un champ magnétique intense (de l'ordre de 5 teslas). La mise en œuvre des pièges à ions dans le domaine de la spectroscopie atomique de précision a valu à Hans Dehmelt (avec le piège de Penning) et à Wolfgang Paul (avec le piège portant son nom) le prix Nobel de physique en 1989, partagé avec Norman Foster Ramsey pour ses travaux sur les horloges atomiques. On se limitera ici à la description du piège de Penning. Le piège de Penning, appelé aussi cellule ICR (cellule à résonance cyclotronique ionique), est un dispositif permettant de stocker des particules chargées, grâce à la combinaison d'un champ magnétique uniforme et d'un champ électrique quadripolaire constant. Ce dispositif est particulièrement bien adapté à la mesure précise des propriétés des ions et des particules subatomiques stables possédant une charge électrique. C'est le physicien F. M. Penning qui en a eu l'idée originale en 1936, mais le mérite de sa mise en œuvre concrète revient au physicien américain Hans Dehmelt. Les pièges de Penning utilisent un champ magnétique homogène axial pour confiner les particules dans le plan médian, et un champ électrique quadripolaire pour les confiner selon l'axe de symétrie du piège. Le champ magnétique force les particules chargées à se déplacer selon des spirales, et le champ électrique évite que les particules ne sortent du piège lorsqu'elles suivent les lignes de champ magnétique. Le dispositif de génération du champ électrique est constitué de deux groupes d'électrodes en forme d'hyperboloïde de révolution : d'une part un anneau, et d'autre part deux coupelles axiales.