Новости

May 22, 2023

Радиолюминесценция и фотолюминесценция кристаллов Th:CaF2.

Scientific Reports Volume 5, Номер статьи: 15580 (2015) Цитировать эту статью Мы изучаем легированные торием кристаллы CaF2 как возможную платформу для оптической спектроскопии перехода ядерного изомера 229Th.

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15580 (2015) Цитировать эту статью

Мы изучаем кристаллы CaF2, легированные торием, как возможную платформу для оптической спектроскопии перехода ядерного изомера 229Th. Мы ожидаем два основных источника фонового сигнала, которые могут перекрывать сигнал ядерной спектроскопии: ВУФ-фотолюминесценция, вызванная зондовым светом, и радиолюминесценция, вызванная радиоактивным распадом 229Th и его дочерних элементов. Мы обнаруживаем богатый спектр фотолюминесценции при длинах волн выше 260 нм и излучение радиолюминесценции выше 220 нм. Это очень многообещающе, поскольку флуоресценция, возникающая в результате изомерного перехода, предсказанная на длине волны короче 200 нм, может быть спектрально отфильтрована от люминесценции кристалла. Кроме того, мы исследуем зависящее от температуры время затухания люминесценции, а также свойства термолюминесценции. Наши результаты позволяют немедленно оптимизировать протоколы спектроскопии как для первоначального поиска ядерного перехода с использованием синхротронного излучения, так и для будущей работы оптических часов с лазерами с узкой шириной линии.

Электронные переходы валентных электронов в атомах имеют типичную энергию в несколько эВ, тогда как ядерные процессы происходят в масштабе от кэВ до МэВ. Этот большой разрыв в энергетических масштабах отражается в том факте, что области атомной и ядерной физики практически не пересекаются, но есть несколько исключений.

Одно из таких исключений встречается в ядре изотопа 229Th. Считается, что это уникальное ядро ​​обладает чрезвычайно низколежащим и долгоживущим возбужденным состоянием при энергии в несколько эВ, свойством, не обнаруженным ни у одного другого известного изотопа1,2,3,4. Хотя прямые доказательства существования этого изомерного состояния все еще ожидаются5,6,7, а его энергия была определена лишь с большой неопределенностью, удивительная возможность манипулировать ядрами с помощью лазерного света стимулировала множество предложений для различных приложений.

Наиболее известным применением перехода изомера 229Th могут быть оптические часы, основанные на этом переходе8,9. Эти часы могут иметь добротность Q = ν/Δν ≈ 1019, что потенциально превосходит лучшие современные оптические часы10. Хотя такие часы могут быть очень невосприимчивы к внешним возмущениям, они будут очень чувствительны к изменениям константы тонкой структуры α и параметров КХД11,12,13, что представляет собой изысканное исследование возможных дрейфов фундаментальных констант. В дальнейших приложениях квантовой оптики изомерное состояние было предложено в качестве основы для области ядерной квантовой оптики14,15 и как надежный кубит для квантовой информации16. В более общем смысле, уникальный случай 229Th может стать пионером в создании гамма-лазеров17. Обязательным условием всех этих экспериментов является однозначное доказательство существования изомерного состояния, измерение его энергии и демонстрация его оптической адресуемости.

До сих пор в большинстве исследований 229Th использовалась гамма-спектроскопия высокого разрешения1,2,3,4. Для косвенного определения энергии изомерного состояния использованы разностные схемы. Согласно последним измерениям, энергия возбуждения составляет 7,8(5) эВ, что соответствует длине волны 159(10) нм в вакуумно-ультрафиолетовом (ВУФ) диапазоне4,18. Систематические ошибки этого измерения могут быть недооценены19. Дополнительные доказательства существования изомерного состояния были получены в экспериментах по столкновению20.

Был проведен ряд экспериментов по наблюдению ВУФ-фотона, излучаемого при распаде изомерного состояния. Эти измерения дали либо ложные результаты21,22, которые вскоре были опровергнуты23,24, либо нулевые результаты6,7,25,26. Ожидается, что время жизни изомерного состояния будет порядка 1000 с3,27,28. Два эксперимента были направлены на измерение времени жизни изомера с помощью альфа-спектроскопии29 и гамма-распада30, но не обнаружили никакого сигнала. Недавний эксперимент утверждает, что наблюдался ВУФ-фотон с временем жизни изомера 6(1) часов5, но это весьма спорно31.