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May 22, 2023

Th:CaF2 결정의 방사선발광 및 광발광

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15580(2015) 이 기사 인용 우리는 229번째 핵 이성질체 전이의 광학 분광학을 위한 가능한 플랫폼으로 토륨 도핑된 CaF2 결정을 연구합니다.

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15580(2015) 이 기사 인용

우리는 229Th 핵 이성질체 전이의 광학 분광학을 위한 가능한 플랫폼으로 토륨 도핑된 CaF2 결정을 연구합니다. 우리는 핵 분광학 신호를 포괄할 수 있는 배경 신호의 두 가지 주요 소스를 예상합니다. 즉, 프로브 빛으로 인해 발생하는 VUV-광발광과 229Th와 그 딸의 방사성 붕괴로 인해 발생하는 방사선 발광입니다. 우리는 260 nm 이상의 파장과 220 nm 이상의 방사선 발광 방출에서 풍부한 광발광 스펙트럼을 발견했습니다. 200nm보다 짧은 파장에서 예측되는 이성질체 전이에서 발생하는 형광이 결정 발광에서 스펙트럼적으로 필터링될 수 있기 때문에 이는 매우 유망합니다. 또한, 우리는 열발광 특성뿐만 아니라 발광의 온도에 따른 감쇠 시간도 조사합니다. 우리의 연구 결과는 싱크로트론 방사선을 사용한 핵 전이에 대한 초기 검색과 좁은 선폭 레이저를 사용한 미래의 광학 시계 작동 모두에 대한 분광학 프로토콜의 즉각적인 최적화를 허용합니다.

원자 내 원자가 전자의 전자 전이는 몇 eV의 일반적인 에너지를 갖는 반면, 핵 과정은 keV에서 MeV 규모로 발생합니다. 에너지 규모의 이러한 큰 격차는 원자 물리학과 핵 물리학의 영역이 거의 겹치지 않지만 몇 가지 예외가 있다는 사실을 반영합니다.

그러한 예외 중 하나는 동위원소 229Th의 핵에서 발생합니다. 이 독특한 핵은 알려진 다른 동위원소1,2,3,4에서는 발견되지 않는 특성인 수 eV의 에너지에서 극도로 낮고 수명이 긴 여기 상태를 갖는 것으로 여겨집니다. 이 이성질체 상태의 존재에 대한 직접적인 증거는 아직 계류 중이고5,6,7 그 에너지는 큰 불확실성으로 결정되었지만, 레이저 빛으로 핵을 조작할 수 있는 매혹적인 가능성은 다양한 응용 분야에 대한 풍부한 제안을 불러일으켰습니다.

229번째 이성질체 전이의 가장 두드러진 응용은 이 전이를 기반으로 하는 광학 시계일 수 있습니다8,9. 이 시계는 Q = ν/Δν ≒ 1019의 품질 계수를 특징으로 하며 잠재적으로 오늘날 최고의 광학 시계보다 성능이 뛰어납니다10. 이러한 시계는 외부 섭동에 대해 매우 면역성이 있을 수 있지만 미세 구조 상수 α 및 QCD 매개변수11,12,13의 변화에 ​​매우 민감하여 기본 상수의 가능한 드리프트에 대한 정교한 프로브를 구성합니다. 추가 양자 광학 응용 분야에서 이성질체 상태는 핵 양자 광학 분야의 입문서이자 양자 정보에 대한 견고한 큐비트로 제안되었습니다. 보다 일반적으로 229Th의 독특한 사례는 감마선 레이저의 선구자가 될 수 있습니다. 이러한 모든 실험의 전제 조건은 이성질체 상태의 존재에 대한 명확한 증거, 에너지 측정 및 광학적 주소 지정 가능성을 입증하는 것입니다.

지금까지 229Th에 대한 대부분의 연구에서는 고해상도 감마 분광법1,2,3,4을 사용했습니다. 이성질체 상태의 에너지를 간접적으로 결정하기 위해 차분 체계가 사용되었습니다. 최신 측정에서는 진공-자외선(VUV) 범위4,18에서 159(10) nm의 파장에 해당하는 7.8(5) eV의 여기 에너지를 배치합니다. 이 측정의 체계적인 오류는 과소평가될 수 있습니다19. 이성질체 상태의 존재에 대한 추가 증거는 충돌 실험에서 얻어졌습니다.

이성질체 상태가 붕괴되는 동안 방출되는 VUV 광자를 관찰하기 위해 여러 가지 실험이 수행되었습니다. 이러한 측정은 곧 반박23,24되는 잘못된 결과21,22 또는 null6,7,25,26 결과를 생성했습니다. 이성질체 상태의 수명은 약 1,000s3,27,28일 것으로 예상됩니다. 알파 분광법29과 감마 붕괴30를 통해 이성질체 수명을 측정하기 위한 두 가지 실험이 시작되었지만 신호는 발견되지 않았습니다. 최근 실험에서는 이성질체 수명이 6(1)시간5인 VUV 광자의 관찰을 주장하지만 논란이 많습니다31.