[논문 리뷰] Laser excitation of the $^{229}$Th nuclear isomeric transition in a solid-state host

ROBERT ELWELL, Christian Schneider외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 18.

Nuclear physics research studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 진공 자외선 레이저 시스템을 사용하여 고체 주기인 229Th 도핑된 LiSrAlF6 결정에서 229Th 핵 이소메릭 전이의 첫 번째 레이저 분광 관측을 보고한다. 148.38219(4) nm에서 관측된 좁은, 레이저 선폭 제한된 스펙트럼 특징과 수명 568(13) s는 핵 전이로 확인되었으며, 에너지를 8.355733(2) eV로 고정밀도로 확인함으로써 핵 광학 시계 개발을 위한 핵심 단계를 밟았다.

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$_6$.

연구 동기 및 목표

• 레이저 분광법을 통해 고체 주기에서 229Th 핵 이소메릭 전이의 검출 및 정밀 측정을 수행한다.
• 오랜 기간 동안 남아 있던 229Th 이소메릭 상태 에너지에 대한 불확실성을 레이저 분광 정밀도로 해결한다.
• 관측된 전이 및 형광 동역학에서 결정 환경과 전자-핵 결합의 역할을 조사한다.
• 도핑된 절연체가 향후 핵 광학 시계 플랫폼으로 사용 가능한지를 검증한다.
• 동위원소 제어(232Th 도핑 및 비도핑 결정)를 통해 배경 형광 및 화학적 영향과 핵 전이 신호를 구분한다.

제안 방법

• 진공 자외선(VUV) 레이저 시스템을 사용하여 147.43–182.52 nm 범위(6.793–8.410 eV)에서 229Th 도핑된 LiSrAlF6 결정을 자극하였다.
• 시간에 따른 형광 방출을 모니터링하여 스펙트럼 특징과 붕괴 동역학을 확인하였으며, 시간 해상도 측정을 통해 수명을 추출하였다.
• 두 가지의 형광 성분이 관측되었는데, 하나는 약 몇 초의 붕괴를 보이는 넓은 특징이고, 다른 하나는 레이저 선폭 제한된 좁은 특징이었다.
• 232Th 도핑 및 비도핑 결정을 이용한 동위원소 제어를 통해 좁은 스펙트럼 특징의 핵 기원을 확인하였다.
• 고체 격자 내 핵 이소메릭 상태와 전자 및 격자 진동 자유도 간의 결합을 모델링하기 위해 첫 원리 결정 구조 계산을 수행하였다.
• 핵 상태와 전가대 전자-정공 흥분 간의 초미세상호작용(HFI)을 통한 결합을 설명하는 이론 모델을 개발하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 분광법을 통해 고체 주기에서 229Th 핵 이소메릭 전이를 직접 관측하고 정밀 측정할 수 있는가?
• RQ2 LiSrAlF6에서 229Th 핵 이소메릭 상태의 정밀 에너지 및 수명은 얼마이며, 이는 이전 측정과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 왜 229Th 도핑 농도의 일부만 좁고 레이저 선폭 제한된 전이에 기여하는가?
• RQ4 229Th 도핑 결정에서 관측된 넓은, 적색 이동된 형광의 기원은 무엇인가?
• RQ5 결정 주기 내의 전자-핵 및 진동-전자 결합이 핵 전이의 복사 붕괴 속도 및 스펙트럼 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 148.38219(4) nm(통계적) ±20 nm(계측 오차)의 좁고 레이저 선폭 제한된 스펙트럼 특징이 관측되었으며, 이는 229Th 핵 이소메릭 전이로 할당되었다.
• 이 전이는 568(13) s(통계적) ±20 s(계측 오차)의 수명을 보이며, 장수명 핵 이소메릭 상태와 일치한다.
• LiSrAlF6에서 229Th 핵 이소메릭 상태의 에너지는 8.355733(2) eV(통계적) ±10 meV(계측 오차)로 결정되었다.
• 232Th 도핑 및 비도핑 LiSrAlF6 결정에서는 이 좁은 특징이 관측되지 않아, 이는 229Th 핵 흥분에 기인함을 확인한다.
• 229Th 도핑 결정에서는 약 몇 초의 붕괴를 보이는 넓은 형광이 관측되었지만, 232Th 도핑 또는 비도핑 결정에서는 관측되지 않아, 전자 및 격자 자유도에 기인한 비복사 붕괴 경로가 존재함을 시사한다.
• 첫 원리 계산과 이론 모델은 초미세상호작용이 핵 이소메릭 상태와 전가대 전자-정공 흥분 간의 결합을 매개함을 제안하며, 적색 이동된 형광과 핵 전이의 부분적 억제를 설명한다.

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