上海光机所在新型固体核光钟材料研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所激光晶体研究中心在新型固体核光钟材料研究方面取得进展。研究团队报道了一种潜在的新型固体核光钟候选材料——Th:LiF单晶。相关研究成果以“Thorium-Doped Lithium Fluoride Single Crystal: A Potential Promising Candidate for Solid State Nuclear Optical Clock Materials”为题发表于《高级光学材料》（Advanced Optical Materials）。 　　

核素229Th（232Th的同位素）的核能级跃迁229mTh（核同质异能态）229gTh（核基态）的跃迁能量仅~8 eV，位于真空紫外波段。基于该核跃迁频率的核光钟被认为是一种潜在的新一代时频标准，可以赶上甚至超过目前最精确的原子光钟。而基于229Th掺杂真空紫外（VUV）透明晶体的固体核光钟被认为可以获得比离子阱方案的核光钟更高的可被同时询问的Th核数目，并且不需要激光冷却。因此，它在频率稳定性、核跃迁的激发和探测、核光学时钟的小型化、商业化和星载化方面具有巨大优势。因此，寻找能够满足高Th掺杂浓度、高透射率和低背景发光的宿主材料，对于增强核跃迁信号具有重要意义，有利于Th核跃迁的激发和探测以及未来固体核光钟研究的发展。 　　

研究团队首先采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，预测了Th:LiF单晶作为一种新型固体核光钟材料的可行性及潜力。理论研究表明，在Th:LiF晶体中通过合适的电荷补偿机制可以实现Th离子的有效掺杂，同时不会造成晶体在核跃迁波段透过率的明显下降，有利于核跃迁的激发和检测。在此基础上，研究团队采用提拉法首次生长了232Th:LiF单晶，实验表明，其Th掺杂浓度~8.3×1018 cm-3， 1mm厚晶体样品的透过率可以达到T=68%@152.7 nm，与在类似条件下生长的相同尺寸的纯LiF晶体样品（T=72%@152.7 nm）相比仅略微下降，有利于增强核跃迁信号。 　　

研究团队通过理论和实验研究结果，均表明具有较高掺杂浓度，高VUV透过率，低背景辐射的Th:LiF单晶有望成为一种有潜力的新型固体核光钟材料，为未来固体核光钟的研究和发展提供新的选择。 　　

相关工作得到了张江实验室的支持。 　　

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图1 Th:LiF晶体理论模型

图2 LiF与Th:LiF 晶体的电子性质

图3 Th:LiF与纯LiF单晶的真空紫外透过率曲线