近日，中國科學院上海光學精密機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展。研究團隊報道了一種潛在的新型固體核光鐘候選材料——Th:LiF單晶。相關研究成果以“Thorium-Doped Lithium Fluoride Single Crystal: A Potential Promising Candidate for Solid State Nuclear Optical Clock Materials”為題發(fā)表于《高級光學材料》（Advanced Optical Materials）。

核素229Th（232Th的同位素）的核能級躍遷229mTh（核同質異能態(tài)）229gTh（核基態(tài)）的躍遷能量僅~8 eV，位于真空紫外波段�；�于該核躍遷頻率的核光鐘被認為是一種潛在的新一代時頻標準，可以趕上甚至超過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為可以獲得比離子阱方案的核光鐘更高的可被同時詢問的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、核光學時鐘的小型化、商業(yè)化和星載化方面具有巨大優(yōu)勢。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，對于增強核躍遷信號具有重要意義，有利于Th核躍遷的激發(fā)和探測以及未來固體核光鐘研究的發(fā)展。

研究團隊首先采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，預測了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晶體中通過合適的電荷補償機制可以實現(xiàn)Th離子的有效摻雜，同時不會造成晶體在核躍遷波段透過率的明顯下降，有利于核躍遷的激發(fā)和檢測。在此基礎上，研究團隊采用提拉法首次生長了232Th:LiF單晶，實驗表明，其Th摻雜濃度~8.3×1018 cm^-3， 1mm厚晶體樣品的透過率可以達到T=68%@152.7 nm，與在類似條件下生長的相同尺寸的純LiF晶體樣品（T=72%@152.7 nm）相比僅略微下降，有利于增強核躍遷信號。

圖1.Th:LiF晶體理論模型

圖2.LiF與Th:LiF 晶體的電子性質

圖3.Th:LiF與純LiF單晶的真空紫外透過率曲線

研究團隊通過理論和實驗研究結果，均表明具有較高摻雜濃度，高VUV透過率，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，為未來固體核光鐘的研究和發(fā)展提供新的選擇。

相關工作得到了張江實驗室的支持。

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