Notizia

May 22, 2023

Radioluminescenza e fotoluminescenza di cristalli di Th:CaF2

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15580 (2015) Cita questo articolo Studiamo i cristalli di CaF2 drogati con torio come possibile piattaforma per la spettroscopia ottica della transizione dell'isomero nucleare 229esimo.

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15580 (2015) Citare questo articolo

Studiamo cristalli di CaF2 drogati con torio come possibile piattaforma per la spettroscopia ottica della transizione dell'isomero nucleare 229Th. Prevediamo due principali fonti di segnale di fondo che potrebbero coprire il segnale della spettroscopia nucleare: la fotoluminescenza VUV, causata dalla luce della sonda e la radioluminescenza, causata dal decadimento radioattivo del 229Th e dei suoi figli. Troviamo un ricco spettro di fotoluminescenza a lunghezze d'onda superiori a 260 nm ed emissione di radioluminescenza superiore a 220 nm. Ciò è molto promettente, poiché la fluorescenza originata dalla transizione dell'isomero, prevista a una lunghezza d'onda inferiore a 200 nm, potrebbe essere filtrata spettralmente dalla luminescenza del cristallo. Inoltre, indaghiamo il tempo di decadimento della luminescenza dipendente dalla temperatura, nonché le proprietà della termoluminescenza. I nostri risultati consentono un’ottimizzazione immediata dei protocolli di spettroscopia sia per la ricerca iniziale della transizione nucleare utilizzando la radiazione di sincrotrone, sia per il futuro funzionamento dell’orologio ottico con laser a larghezza di linea stretta.

Le transizioni elettroniche degli elettroni di valenza negli atomi hanno energie tipiche di pochi eV, mentre i processi nucleari avvengono su scala da keV a MeV. Questo ampio divario nelle scale energetiche si riflette nel fatto che i regni della fisica atomica e nucleare si sovrappongono a malapena, ma ci sono alcune eccezioni.

Una di queste eccezioni si incontra nel nucleo dell'isotopo 229Th. Si ritiene che questo nucleo unico possieda uno stato eccitato estremamente basso e di lunga durata con un'energia di pochi eV, una proprietà non riscontrata in nessun altro isotopo conosciuto1,2,3,4. Mentre la prova diretta dell’esistenza di questo stato isomerico è ancora in sospeso5,6,7 e la sua energia è stata determinata solo con grande incertezza, l’affascinante possibilità di manipolare i nuclei mediante luce laser ha stimolato numerose proposte per varie applicazioni.

L'applicazione più importante della transizione dell'isomero 229esimo potrebbe essere un orologio ottico basato su questa transizione8,9. Questo orologio potrebbe presentare un fattore di qualità Q = ν/Δν ≈ 1019, potenzialmente surclassando i migliori orologi ottici di oggi10. Anche se un tale orologio potrebbe essere altamente immune alle perturbazioni esterne, sarebbe molto sensibile alle variazioni della costante di struttura fine α e ai parametri QCD11,12,13, costituendo un'eccellente sonda delle possibili derive nelle costanti fondamentali. In ulteriori applicazioni di ottica quantistica, lo stato isomerico è stato proposto come primer per il campo dell'ottica quantistica nucleare14,15 e come qubit robusto per l'informazione quantistica16. Più in generale, il caso unico di 229Th potrebbe essere il pioniere dei laser a raggi gamma17. Il prerequisito per tutti questi esperimenti è una prova inequivocabile dell'esistenza dello stato isomerico, una misurazione della sua energia e una dimostrazione della sua indirizzabilità ottica.

Finora, la maggior parte degli studi sul 229Th hanno utilizzato la spettroscopia gamma ad alta risoluzione1,2,3,4. Gli schemi di differenziazione sono stati utilizzati per determinare indirettamente l'energia dello stato isomerico. L'ultima misurazione colloca l'energia di eccitazione a 7,8 (5) eV, corrispondente a una lunghezza d'onda di 159 (10) nm nell'intervallo del vuoto-ultravioletto (VUV)4,18. Gli errori sistematici di questa misurazione potrebbero essere sottostimati19. Ulteriori prove dell'esistenza di uno stato isomerico sono state ottenute da esperimenti di collisione20.

Sono stati eseguiti numerosi esperimenti per osservare il fotone VUV emesso durante il decadimento dello stato isomerico. Queste misurazioni hanno generato risultati falsi21,22 che sono stati presto confutati23,24, oppure risultati nulli6,7,25,26. Si prevede che la durata dello stato isomerico sia dell'ordine di 1.000 s3,27,28. Due esperimenti si proponevano di misurare la durata dell'isomero tramite spettroscopia alfa29 e tramite decadimento gamma30, ma non hanno trovato alcun segnale. Un recente esperimento sostiene l'osservazione del fotone VUV con una durata dell'isomero di 6(1) ore5, ma è altamente contestato31.