이온트랩은 본래 mass spectroscopy 등에서 사용되던 것이다. 이런 이유로 개발되어 사용되던 대표적인 두 가지 트랩이 존재하는데, 첫 번째는 Penning trap(Fig.1)이고 두 번째는 Paul trap이다.
Fig(1) Penning trap
Fig(2) Paul trap
(Both images from <Quantum dynamics of single trapped ions> by Leibfried, Blatt, Monroe, Wineland 2003)
Penning trap이 먼저 개발되어 사용되어지다가 Paul trap이 개발되며 그 확장성을 알아본 과학자들이 Paul trap으로 완전히 전환하였다.
Wolfgang Paul와 Helmut Steinwedel는 1953년 “Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld”라는 제목의 논문을 공개했다. 기존의 Penning trap이 무거운 자석이 형성하는 자기장을 필요로 했던 것과 다르게 rf(radio-frequency)로 이온을 가두는(confine) 방법론을 공개한 것이다. 당시 목적은 Mass Spectroscopy였다.
Earnshaws Theorem of Electromagnetics는 3차원 공간에서 정전기장(static electromagnetic fields)만으로 하전입자(charged particle)를 가둘 수 없음을 시사한다. 하전입자를 가두기 위해서는 Laplace’s equation을 만족시켜야 하기 때문에 우리는 다음과 같은 조건을 얻는다: ($\Phi$는 3차원 공간에서 field가 만드는 포텐셜이다.)
$$ \nabla^2\Phi=0 \tag{1} $$
우리는 Eq(1)이 보인 조건에 따라 potential을 static potential과 sinusoidal(사인파) potential의 결합으로 표현할 수 있다.