[論文レビュー] Laser excitation of the $^{229}$Th nuclear isomeric transition in a solid-state host

ROBERT ELWELL, Christian Schneider+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2024

Nuclear physics research studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、真空中紫外線レーザーシステムを用いて、229ThドープLiSrAlF6結晶という固体上に、229Th核異性体遷移の初回のレーザー分光観測を報告した。148.38219(4) nmに位置する狭帯域で、レーザー線幅制限されたスペクトル特徴（寿命568(13) s）が核遷移として同定され、エネルギーが8.355733(2) eVという高精度で確認された。これは、核光学時計の実現に向けた重要な一歩である。

ABSTRACT

LiSrAlF$_6$ crystals doped with $^{229}$Th are used in a laser-based search for the nuclear isomeric transition. Two spectroscopic features near the nuclear transition energy are observed. The first is a broad excitation feature that produces red-shifted fluorescence that decays with a timescale of a few seconds. The second is a narrow, laser-linewidth-limited spectral feature at $148.38219(4)_{ extrm{stat}}(20)_{ extrm{sys}}$ nm ($2020407.3(5)_{ extrm{stat}}(30)_{ extrm{sys}}$ GHz) that decays with a lifetime of $568(13)_{ extrm{stat}}(20)_{ extrm{sys}}$ s. This feature is assigned to the excitation of the $^{229}$Th nuclear isomeric state, whose energy is found to be $8.355733(2)_{ extrm{stat}}(10)_{ extrm{sys}}$ eV in $^{229}$Th: hor:LiSrAlF$_6$.

研究の動機と目的

• 固体結晶上での229Th核異性体遷移を、レーザー分光法を用いて検出・高精度で測定すること。
• 長年の懸案であった229Th異性状態のエネルギーを、レーザー分光法による精度で解明すること。
• 観測された遷移および蛍光ダイナミクスにおける結晶環境および電子-核結合の役割を調査すること。
• ドーピングされた絶縁体が将来の核光学時計のプラットフォームとして実現可能であるかを検証すること。
• 同位体制御（232Thドープおよび未ドープ結晶を用いて）背景蛍光および化学的効果から核遷移信号を区別すること。

提案手法

• 真空中紫外線（VUV）レーザーシステムを用いて、147.43–182.52 nm（6.793–8.410 eV）の波長範囲で229ThドープLiSrAlF6結晶を励起した。
• 時間発展をモニタリングしてスペクトル特徴および崩壊ダイナミクスを特定し、時間分解測定により寿命を抽出した。
• 2種類の蛍光成分が観測された：~数秒の崩壊を示す広帯域成分と、レーザー線幅制限された狭帯域成分。
• 同位体制御（232Thドープおよび未ドープ結晶）を用いて、狭帯域スペクトル特徴の核起源を確認した。
• 結晶構造の第一原理計算を実施し、格子内における核異性状態と電子・フォノン自由度の結合をモデル化した。
• 理論的モデルを構築し、核状態と価電子帯の電子-正孔励起状態との間をハイパーフィン効果（HFI）が媒介するメカニズムにより、観測された赤方シフト蛍光を説明した。

Figure 1: (a) Long timescale fluorescence from 229 Th:LiSrAlF 6 crystal 2.2 normalized by laser power after $\approx~{}2000$ s illumination shown over the 68% confidence interval of the ISOLDE experiment [ 11 ] . Dotted black lines denote the mean ( $\mu$ ) and mean plus multiples of the standard de

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 229Th核異性体遷移を、固体上でのレーザー分光法により直接観測し、高精度で測定可能か？
• RQ2 LiSrAlF6における229Th核異性体状態の正確なエネルギーと寿命は何か？ また、以前の測定値と比較するとどうなるか？
• RQ3 なぜ229Thドーピング濃度の一部しか、狭帯域でレーザー線幅制限された遷移に寄与しないのか？
• RQ4 229Thドープ結晶で観測された広帯域で赤方シフトした蛍光の起源は何か？
• RQ5 結晶上での電子-核結合および振動-電子結合が、核遷移の放射性崩壊率およびスペクトル的性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 148.38219(4) nm（統計的）±20 nm（系統的）に位置する狭帯域で、レーザー線幅制限されたスペクトル特徴が観測され、229Th核異性体遷移に割り当てられた。
• この遷移は568(13) s（統計的）±20 s（系統的）の寿命を示し、長寿命核異性状態と整合的である。
• LiSrAlF6における229Th核異性体状態のエネルギーは8.355733(2) eV（統計的）±10 meV（系統的）と決定された。
• 232Thドープおよび未ドープLiSrAlF6結晶ではこの狭帯域特徴が観測されず、229Th核励起に起因することを確認した。
• 229Thドープ結晶では~数秒の崩壊を示す広帯域蛍光が観測されたが、232Thドープや未ドープ結晶では観測されず、電子的および格子自由度に起因する非放射的崩壊経路があることを示した。
• 第一原理計算および理論的モデルから、ハイパーフィン効果が核異性状態と価電子帯の電子-正孔励起状態との間の結合を媒介しており、赤方シフト蛍光および核遷移の部分的抑制を説明できることが示された。

Figure 2: Fitted spectrum for the fluorescence from crystal 2.2 under excitation at 147.4 nm using a Gaussian deconvultion (see SI). The black points represent the recorded photon numbers; the vertical line represents the statistical uncertainty while the horizontal line represents the full width at