[论文解读] Imaging individual barium atoms in solid xenon for barium tagging in nEXO

C. Chambers, T. Walton+149 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2018

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 1被引用 8

一句话总结

该论文首次通过激光扫描荧光显微镜直接成像并计数了固态氙中单个钡原子。通过检测特征的619 nm发射峰并观察到离散的荧光熄灭现象，研究证实中性钡原子被俘获在单空位取代位点，从而实现了nEXO无中微子双贝塔衰变实验中高保真度的钡原子标记。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在固态氙中检测和成像单个钡原子的方法，这是nEXO无中微子双贝塔衰变实验中钡原子标记的关键要求。
• 区分孤立的钡原子与可能模拟原子信号的分子或团簇物种。
• 确定固态氙中钡原子的化学和结构环境，特别是晶格缺陷（如单空位位点）的作用。
• 验证在nEXO实验条件下（包括低本底和最小信号擦除）钡信号的稳定性和可检测性。
• 通过光谱和寿命分析排除观测到的荧光的其他解释，如BaO或BaOH分子。

提出的方法

• 使用聚焦激光束扫描掺杂有钡离子或中性钡原子的固态氙基底，以激发荧光发射。
• 采用时间分辨光子计数测量荧光衰减寿命，观测到619 nm峰的衰减时间为7 ns，与已知BaO的寿命不一致。
• 对荧光发射进行光谱分析，识别出两个主要峰：619 nm和670 nm，且信号强度与沉积离子数呈线性关系，排除了分子形成的可能性。
• 对固态氙基底进行预漂白处理，以降低背景荧光，从而实现在低噪声条件下的单原子检测。
• 通过离子结合能和平衡半径（如Ba+为3.619 Å，Ba原子为5.5 Å）的理论建模，预测优先的晶格位点，支持氙中单空位位点的存在。
• 分析残余气体杂质（H2O、O2）可能产生的反应产物（BaOH、BaO），并利用热力学和光谱约束条件排除其作为619 nm发射源的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用激光荧光显微镜在固态氙中成像并计数单个钡原子？
• RQ2 钡原子在固态氙中的主要化学和结构环境是什么——具体而言，它们是位于单空位位点的孤立原子，还是分子团簇的一部分？
• RQ3 观测到的619 nm荧光发射是否源于晶格缺陷中的中性钡原子，还是可能归因于氧化钡（BaO）或氢氧化钡（BaOH）分子？
• RQ4 619 nm发射的荧光衰减寿命是多少？是否与真空或固态基质中钡物种的已知值一致？
• RQ5 在长时间激光照射下，钡信号的稳定性如何？由于蒸发或猝灭导致的信号擦除最大速率是多少？

主要发现

• 基于光谱、寿命和空间定位证据，619 nm荧光峰被归因于固态氙中单空位取代位点的中性钡原子。
• 测得619 nm发射的荧光衰减寿命为7 ns，与BaO的A¹Σ⁺态356 ns寿命不一致，从而排除了BaO作为发射源的可能性。
• 无相邻光谱线且信号强度与沉积离子数呈线性依赖关系，排除了Ba₂分子形成的可能性。
• 观测到的荧光信号在长时间激光照射下出现离散且突然的熄灭，通过信号衰减至本底水平，证实其源于单个原子。
• 通过预漂白固态氙基底，将背景荧光降低至可实现单原子检测的水平。
• 测得钡沉积物蒸发导致的最大信号擦除率为≤0.16%，表明钡标记应用中具有高信号稳定性。