[논문 리뷰] Imaging individual barium atoms in solid xenon for barium tagging in nEXO

C. Chambers, T. Walton외 149명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 27.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 레이저 스캐닝 형광 현미경을 사용하여 고체 크세논 내에 존재하는 개별 바륨 원자를 직접 영상화하고 수량을 세는 데에 성공했다. 619 nm 방출 피크를 명확히 감지하고 이산적인 형광 꺼짐 현상을 관찰함으로써, 중성 바륨 원자가 단일 격자 빈약 치환 위치에 갇혀 있음을 확인하였으며, 이는 nEXO 무중성자 이중베타 붕괴 실험에서 고정밀 바륨 태깅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The search for neutrinoless double beta decay probes the fundamental properties of neutrinos, including whether or not the neutrino and antineutrino are distinct. Double beta detectors are large and expensive, so background reduction is essential for extracting the highest sensitivity. The identification, or 'tagging', of the $^{136}$Ba daughter atom from double beta decay of $^{136}$Xe provides a technique for eliminating backgrounds in the nEXO neutrinoless double beta decay experiment. The tagging scheme studied in this work utilizes a cryogenic probe to trap the barium atom in solid xenon, where the barium atom is tagged via fluorescence imaging in the solid xenon matrix. Here we demonstrate imaging and counting of individual atoms of barium in solid xenon by scanning a focused laser across a solid xenon matrix deposited on a sapphire window. When the laser sits on an individual atom, the fluorescence persists for $\sim$30~s before dropping abruptly to the background level, a clear confirmation of one-atom imaging. No barium fluorescence persists following evaporation of a barium deposit to a limit of $\leq$0.16\%. This is the first time that single atoms have been imaged in solid noble element. It establishes the basic principle of a barium tagging technique for nEXO.

연구 동기 및 목표

• nEXO 중성자 없는 이중베타 붕괴 실험에서 바륨 태깅의 핵심 요구 조건인 고체 크세논 내 개별 바륨 원자를 감지하고 영상화하는 방법을 개발하기 위해.
• 원자 신호를 모방할 수 있는 분자 또는 군집 상태의 바륨과 고립된 바륨 원자를 구분하기 위해.
• 특히 단일 빈약 치환 위치와 같은 격자 결함이 바륨 원자의 화학적 및 구조적 환경에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• nEXO 실험 조건(낮은 배경 잡음, 최소한의 신호 소실)과 관련된 실험 조건 하에서 바륨 신호의 안정성과 감지 가능성 검증을 위해.
• 스펙트럼 및 수명 분석을 통해 관측된 형광의 대안적 해석(예: BaO 또는 BaOH 분자)을 배제하기 위해.

제안 방법

• 바륨 이온 또는 중성 바륨 원자를 도핑한 고체 크세논 기판에 집중된 레이저 빔을 스캐닝하여 형광 방출을 자극하였다.
• 시간에 따라 변화하는 광자 수를 측정하기 위해 시간 해상도가 높은 광자 수 센서를 사용하였으며, 619 nm 피크의 7 ns의 수명을 관측하여 기존 알려진 BaO 수명과 불일치함을 확인하였다.
• 형광 방출의 스펙트럼 분석을 통해 619 nm와 670 nm에 두 개의 주요 피크를 식별하였으며, 신호 강도와 도핑된 이온 수의 선형 관계는 분자 형성의 가능성을 배제하였다.
• 고체 크세논 기판의 사전 블리칭 처리를 통해 배경 형광을 감소시켜 저잡음 조건에서 단일 원자 감지를 가능하게 하였다.
• 이온 결합 에너지 및 평형 반경의 이론적 모델링(예: Ba+는 3.619 Å, 중성 Ba 원자는 5.5 Å)을 통해 격자 내 선호되는 위치를 예측하였으며, 크세논 내에서 단일 빈약 치환 위치가 유리하다고 판단하였다.
• 잔류 기체 불순물(H2O, O2)을 분석하여 반응 생성물(BaOH, BaO)의 가능성을 평가하였으며, 열역학적 및 스펙트럼 제약 조건을 적용하여 이들이 619 nm 방출의 원인이 되지 않음을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 형광 현미경을 사용하여 고체 크세논 내 개별 바륨 원자를 영상화하고 수량을 세는 것이 가능한가?
• RQ2 고체 크세논 내 바륨 원자의 주요 화학적 및 구조적 환경은 무엇인가—특히 단일 빈약 치환 위치에 고립된 원자인지, 아니면 분자 군집의 일부인지?
• RQ3 관측된 619 nm 형광 방출은 격자 결함 내 중성 바륨 원자에서 기인하는가, 아니면 산화바륨(BaO) 또는 수산화바륨(BaOH) 분자에서 기인하는가?
• RQ4 619 nm 방출의 형광 수명은 얼마이며, 진공 또는 고체 기질 내 바륨 종류의 알려진 값과 일치하는가?
• RQ5 장시간 레이저 노출 조건에서 바륨 신호는 어느 정도 안정한가, 그리고 증발 또는 억제에 의해 발생하는 최대 수준의 신호 소실 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 스펙트럼, 수명, 공간 정렬 증거를 바탕으로 619 nm 형광 피크는 고체 크세논 내 단일 빈약 치환 위치에 있는 중성 바륨 원자에서 기인한다고 판단하였다.
• 619 nm 방출에 대해 측정된 형광 수명은 7 ns였으며, 이는 BaO의 A¹Σ⁺ 상태의 356 ns 수명과 불일치하여 BaO가 원인임을 배제하였다.
• 접근한 스펙트럼 선이 없고, 신호 강도가 도핑된 이온 수에 선형적으로 의존하므로 Ba₂ 분자의 형성이 배제된다.
• 지속적인 레이저 조사 시 형광 신호가 갑작스럽게 꺼지는 현상이 관측되어, 배경 수준까지 신호가 소멸함으로써 단일 원자 기원을 확인하였다.
• 고체 크세논 기판의 사전 블리칭 처리를 통해 배경 형광을 감소시켜 단일 원자 감지를 가능하게 하였다.
• 바륨 침착물 증발에 의한 최대 신호 소실률은 ≤0.16%로 측정되어 바륨 태깅 응용 분야에서 높은 신호 안정성을 보였다.