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May 22, 2023

Th:CaF2 結晶の放射性発光とフォトルミネッセンス

Scientific Reports volume 5、記事番号: 15580 (2015) この記事を引用する 私たちは、229Th 核異性体遷移の光学分光法の可能性のあるプラットフォームとしてトリウムドープ CaF2 結晶を研究しています。

Scientific Reports volume 5、記事番号: 15580 (2015) この記事を引用

私たちは、229Th 核異性体転移の光学分光法の可能性のあるプラットフォームとして、トリウムをドープした CaF2 結晶を研究しています。 我々は、核分光信号をカバーする可能性のあるバックグラウンド信号の 2 つの主要なソースを予測しています。プローブ光によって引き起こされる VUV フォトルミネセンスと、229Th とその娘物質の放射性崩壊によって引き起こされる放射ルミネセンスです。 我々は、260 nmを超える波長で豊富なフォトルミネッセンススペクトルと、220 nmを超える放射ルミネッセンス発光を発見しました。 200 nm より短い波長で予測される異性体遷移に由来する蛍光は、結晶発光からスペクトル的にフィルタリングできる可能性があるため、これは非常に有望です。 さらに、熱ルミネセンス特性だけでなく、温度に依存するルミネセンスの減衰時間も調査します。 私たちの発見により、シンクロトロン放射を使用した核遷移の初期探索と、狭線幅レーザーを使用した将来の光時計動作の両方のための分光プロトコルの即時最適化が可能になります。

原子内の価電子の電子遷移の典型的なエネルギーは数 eV ですが、核プロセスは keV から MeV のスケールで発生します。 このエネルギースケールの大きなギャップは、原子物理学と原子核物理学の領域がほとんど重なっていないという事実を反映していますが、いくつかの例外があります。

そのような例外の 1 つは、同位体 229Th の原子核で発生します。 このユニークな原子核は、数 eV のエネルギーで非常に低位で長寿命の励起状態を有すると考えられており、これは他の既知の同位体には見られない特性です 1、2、3、4。 この異性体状態の存在を示す直接的な証拠はまだ提出されておらず5、6、7、そのエネルギーは大きな不確実性を伴ってしか決定されていないが、レーザー光によって原子核を操作できる魅力的な可能性により、さまざまな用途に対する豊富な提案が行われている。

229Th 異性体遷移の最も顕著な応用は、この遷移に基づく光時計かもしれません 8,9。 このクロックは Q = ν/Δν ≈ 1019 の品質係数を備えており、今日の最高の光クロックを上回る可能性があります 10。 このような時計は外部摂動の影響を非常に受けにくいかもしれませんが、微細構造定数 α や QCD パラメータの変化には非常に敏感であり、基本定数のドリフトの可能性を精緻に調査することができます。 さらなる量子光学応用では、異性体状態が核量子光学分野の入門書 14,15 および量子情報の堅牢な量子ビットとして提案されています 16。 より一般的には、229Th のユニークなケースはガンマ線レーザーの先駆者である可能性があります 17。 これらすべての実験の前提条件は、異性体状態の存在の明確な証明、そのエネルギーの測定、およびその光学的アドレス可能性の実証である。

これまでのところ、229Th に関するほとんどの研究では高分解能ガンマ分光法が採用されています 1、2、3、4。 異性体状態のエネルギーを間接的に決定するために、差分スキームが使用されました。 最新の測定では、励起エネルギーは 7.8(5) eV で、これは真空紫外 (VUV) 範囲の 159(10) nm の波長に相当します 4,18。 この測定の系統誤差は過小評価されている可能性があります19。 異性体状態の存在に関する追加の証拠が衝突実験から得られています20。

異性体状態の崩壊中に放出される VUV 光子を観察するために、多くの実験が行われました。 これらの測定は、すぐに反駁された 23,24 とされた誤った結果 21,22 または無効な結果 6,7,25,26 のいずれかを生成しました。 異性体状態の寿命は 1,000 秒程度であると予想されます 3,27,28。 2 つの実験では、アルファ分光法 29 とガンマ減衰 30 による異性体の寿命を測定することが開始されましたが、シグナルは見つかりませんでした。 最近の実験では、異性体の寿命が 6(1) 時間である VUV 光子の観測が主張されていますが、大いに議論があります 31。