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May 22, 2023

Radioluminescência e fotoluminescência de cristais Th:CaF2

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 15580 (2015) Citar este artigo Estudamos cristais de CaF2 dopados com tório como uma possível plataforma para espectroscopia óptica da transição do isômero nuclear 229Th.

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 15580 (2015) Citar este artigo

Estudamos cristais de CaF2 dopados com tório como uma possível plataforma para espectroscopia óptica da transição do isômero nuclear 229Th. Prevemos duas fontes principais de sinal de fundo que podem cobrir o sinal da espectroscopia nuclear: fotoluminescência VUV, causada pela luz da sonda e radioluminescência, causada pelo decaimento radioativo do 229Th e suas filhas. Encontramos um rico espectro de fotoluminescência em comprimentos de onda acima de 260 nm e emissão de radioluminescência acima de 220 nm. Isto é muito promissor, uma vez que a fluorescência originada da transição do isómero, prevista num comprimento de onda inferior a 200 nm, pode ser filtrada espectralmente a partir da luminescência do cristal. Além disso, investigamos o tempo de decaimento da luminescência dependente da temperatura, bem como as propriedades da termoluminescência. Nossas descobertas permitem uma otimização imediata dos protocolos de espectroscopia tanto para a busca inicial da transição nuclear usando radiação síncrotron, quanto para a futura operação do relógio óptico com lasers de largura de linha estreita.

As transições eletrônicas dos elétrons de valência nos átomos têm energias típicas de alguns eV, enquanto os processos nucleares ocorrem na escala de keV a MeV. Esta grande lacuna nas escalas de energia reflecte-se no facto de os domínios da física atómica e nuclear quase não se sobreporem, mas há algumas excepções.

Uma dessas exceções é encontrada no núcleo do isótopo 229Th. Acredita-se que este núcleo único possua um estado excitado extremamente baixo e de longa duração a uma energia de alguns eV, uma propriedade não encontrada em nenhum outro isótopo conhecido . Embora a evidência direta da existência deste estado isomérico ainda esteja pendente e a sua energia só tenha sido determinada com grande incerteza, a fascinante possibilidade de manipular núcleos por luz laser estimulou uma riqueza de propostas para diversas aplicações.

A aplicação mais proeminente da transição do isômero 229Th pode ser um relógio óptico baseado nesta transição . Este relógio poderia apresentar um fator de qualidade de Q = ν/Δν ≈ 1019, potencialmente superando os melhores relógios ópticos atuais10. Embora tal relógio possa ser altamente imune a perturbações externas, seria muito sensível a variações dos parâmetros α e QCD da constante de estrutura fina, constituindo uma excelente sonda de possíveis desvios nas constantes fundamentais. Em outras aplicações de óptica quântica, o estado isomérico foi proposto como uma base para o campo da óptica quântica nuclear e como um qubit robusto para informação quântica . De forma mais geral, o caso único do 229Th pode ser o pioneiro dos lasers de raios gama . O pré-requisito para todas estas experiências é uma prova inequívoca da existência do estado isomérico, uma medição da sua energia e uma demonstração da sua endereçabilidade óptica.

Até agora, a maioria dos estudos sobre 229Th empregou espectroscopia gama de alta resolução . Esquemas diferenciais foram usados ​​para determinar indiretamente a energia do estado isomérico. A última medição coloca a energia de excitação em 7,8 (5) eV, correspondendo a um comprimento de onda de 159 (10) nm na faixa ultravioleta de vácuo (VUV) . Erros sistemáticos desta medida podem estar subestimados19. Evidências adicionais da existência de um estado isomérico foram obtidas em experimentos de colisão .

Uma série de experimentos foram realizados para observar o fóton VUV emitido durante o decaimento do estado isomérico. Essas medidas geraram resultados falsos21,22 que logo foram refutados23,24, ou resultados nulos6,7,25,26. Espera-se que o tempo de vida do estado isomérico seja da ordem de 1.000 s3,27,28. Dois experimentos tiveram como objetivo medir o tempo de vida do isômero por meio de espectroscopia alfa e por decaimento gama, mas não encontraram nenhum sinal. Um experimento recente afirma a observação do fóton VUV com um tempo de vida do isômero de 6(1) horas5, mas é altamente contestado31.