近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所激光晶體研究中心在新型固體核光鐘材料研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種潛在的新型固體核光鐘候選材料——Th:LiF單晶。相關(guān)研究成果以“Thorium-Doped Lithium Fluoride Single Crystal: A Potential Promising Candidate for Solid State Nuclear Optical Clock Materials”為題發(fā)表于《高級(jí)光學(xué)材料》（Advanced Optical Materials）。

核素229Th（232Th的同位素）的核能級(jí)躍遷229mTh（核同質(zhì)異能態(tài)）229gTh（核基態(tài)）的躍遷能量?jī)H~8 eV，位于真空紫外波段�；�于該核躍遷頻率的核光鐘被認(rèn)為是一種潛在的新一代時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)，可以趕上甚至超過(guò)目前最精確的原子光鐘。而基于229Th摻雜真空紫外（VUV）透明晶體的固體核光鐘被認(rèn)為可以獲得比離子阱方案的核光鐘更高的可被同時(shí)詢問(wèn)的Th核數(shù)目，并且不需要激光冷卻。因此，它在頻率穩(wěn)定性、核躍遷的激發(fā)和探測(cè)、核光學(xué)時(shí)鐘的小型化、商業(yè)化和星載化方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。因此，尋找能夠滿足高Th摻雜濃度、高透射率和低背景發(fā)光的宿主材料，對(duì)于增強(qiáng)核躍遷信號(hào)具有重要意義，有利于Th核躍遷的激發(fā)和探測(cè)以及未來(lái)固體核光鐘研究的發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)首先采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，預(yù)測(cè)了Th:LiF單晶作為一種新型固體核光鐘材料的可行性及潛力。理論研究表明，在Th:LiF晶體中通過(guò)合適的電荷補(bǔ)償機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)Th離子的有效摻雜，同時(shí)不會(huì)造成晶體在核躍遷波段透過(guò)率的明顯下降，有利于核躍遷的激發(fā)和檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)采用提拉法首次生長(zhǎng)了232Th:LiF單晶，實(shí)驗(yàn)表明，其Th摻雜濃度~8.3×1018 cm^-3， 1mm厚晶體樣品的透過(guò)率可以達(dá)到T=68%@152.7 nm，與在類似條件下生長(zhǎng)的相同尺寸的純LiF晶體樣品（T=72%@152.7 nm）相比僅略微下降，有利于增強(qiáng)核躍遷信號(hào)。

圖1.Th:LiF晶體理論模型

圖2.LiF與Th:LiF 晶體的電子性質(zhì)

圖3.Th:LiF與純LiF單晶的真空紫外透過(guò)率曲線

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，均表明具有較高摻雜濃度，高VUV透過(guò)率，低背景輻射的Th:LiF單晶有望成為一種有潛力的新型固體核光鐘材料，為未來(lái)固體核光鐘的研究和發(fā)展提供新的選擇。

相關(guān)工作得到了張江實(shí)驗(yàn)室的支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202202327