[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次通过真空紫外激光系统，在固态基质中实现了对 229Th 核同质异能跃迁的激光光谱观测，具体为掺杂 229Th 的 LiSrAlF6 晶体。在 148.38219(4) nm 处观测到一个窄线宽受限的光谱特征，其寿命为 568(13) s，被确认为核跃迁，其能量精确测定为 8.355733(2) eV，标志着迈向核光学钟的关键一步。

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$_6$.

研究动机与目标

• 通过激光光谱学方法检测并精确测量在固态晶体基质中 229Th 核同质异能跃迁。
• 利用激光光谱学精度解决长期存在的 229Th 同质异能态能量不确定性问题。
• 研究晶体环境及电子-核耦合对观测到的跃迁和荧光动力学的影响。
• 验证掺杂绝缘体作为未来核光学钟平台的可行性。
• 通过同位素对照（232Th 掺杂和未掺杂晶体）区分核跃迁信号与背景荧光及化学效应。

提出的方法

• 使用真空紫外（VUV）激光系统在 147.43–182.52 nm 范围（6.793–8.410 eV）内激发掺杂 229Th 的 LiSrAlF6 晶体。
• 通过时间分辨测量监测荧光发射，以识别光谱特征和衰减动力学，提取寿命参数。
• 观测到两种不同的荧光组分：一种为衰减速率约数秒的宽峰，另一种为线宽受限于激光线宽的窄峰。
• 利用同位素对照（232Th 掺杂和未掺杂晶体）确认窄光谱特征的核起源。
• 进行了从头算晶体结构计算，以模拟基质晶格中核同质异能态与电子/声子自由度之间的耦合。
• 建立了理论模型，解释通过超精细相互作用（HFI）介导的核态与价带电子-空穴激发之间耦合导致的红移荧光。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在固态基质中通过激光光谱学直接观测并精确测量 229Th 核同质异能跃迁？
• RQ2 229Th 核同质异能态在 LiSrAlF6 中的精确能量和寿命是多少？与以往测量结果相比如何？
• RQ3 为何仅部分 229Th 掺杂浓度参与了窄线宽受限的跃迁？
• RQ4 在 229Th 掺杂晶体中观测到的宽峰、红移荧光的起源是什么？
• RQ5 晶体基质中电子-核耦合与振动-电子耦合如何影响核跃迁的辐射衰变速率和光谱特性？

主要发现

• 在 148.38219(4) nm（统计误差）±20 nm（系统误差）处观测到一个窄线宽受限的光谱特征，被指认为 229Th 核同质异能跃迁。
• 该跃迁表现出 568(13) s（统计误差）±20 s（系统误差）的寿命，与长寿命核同质异能态一致。
• 229Th 核同质异能态在 LiSrAlF6 中的能量被确定为 8.355733(2) eV（统计误差）±10 meV（系统误差）。
• 在 232Th 掺杂和未掺杂的 LiSrAlF6 晶体中均未观测到该窄峰，证实其为 229Th 核激发的特征。
• 在 229Th 掺杂晶体中观测到衰减速率约数秒的宽荧光，而在 232Th 掺杂或未掺杂晶体中未出现，表明存在涉及电子和晶格自由度的非辐射衰变路径。
• 从头算计算与理论模型表明，超精细相互作用介导了核同质异能态与价带电子-空穴激发之间的耦合，解释了红移荧光以及核跃迁的部分淬灭现象。

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