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May 22, 2023

Radioluminescence et photoluminescence des cristaux Th:CaF2

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15580 (2015) Citer cet article Nous étudions les cristaux de CaF2 dopés au thorium comme plate-forme possible pour la spectroscopie optique de la transition de l'isomère nucléaire 229Th.

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15580 (2015) Citer cet article

Nous étudions les cristaux de CaF2 dopés au thorium comme plate-forme possible pour la spectroscopie optique de la transition de l'isomère nucléaire 229Th. Nous prévoyons deux sources majeures de signal de fond qui pourraient couvrir le signal de spectroscopie nucléaire : la photoluminescence VUV, provoquée par la lumière de la sonde, et la radioluminescence, provoquée par la désintégration radioactive du 229Th et de ses descendants. Nous trouvons un riche spectre de photoluminescence aux longueurs d'onde supérieures à 260 nm et une émission de radioluminescence supérieure à 220 nm. Ceci est très prometteur, car la fluorescence provenant de la transition isomère, prévue à une longueur d'onde inférieure à 200 nm, pourrait être filtrée spectralement à partir de la luminescence du cristal. De plus, nous étudions le temps de décroissance de la luminescence en fonction de la température, ainsi que les propriétés de la thermoluminescence. Nos résultats permettent une optimisation immédiate des protocoles de spectroscopie à la fois pour la recherche initiale de la transition nucléaire utilisant le rayonnement synchrotron, ainsi que pour le futur fonctionnement d'une horloge optique avec des lasers à largeur de raie étroite.

Les transitions électroniques des électrons de valence dans les atomes ont des énergies typiques de quelques eV, alors que les processus nucléaires se produisent sur l'échelle du keV au MeV. Cet écart important dans les échelles énergétiques se reflète dans le fait que les domaines de la physique atomique et nucléaire se chevauchent à peine, à quelques exceptions près.

Une telle exception se rencontre dans le noyau de l’isotope 229Th. On pense que ce noyau unique possède un état excité extrêmement bas et à longue durée de vie à une énergie de quelques eV, une propriété que l’on ne retrouve dans aucun autre isotope connu 1,2,3,4. Alors que la preuve directe de l’existence de cet état isomérique est toujours en attente5,6,7 et que son énergie n’a été déterminée qu’avec une grande incertitude, la fascinante possibilité de manipuler les noyaux par la lumière laser a suscité une multitude de propositions pour diverses applications.

L’application la plus importante de la transition de l’isomère 229Th pourrait être une horloge optique basée sur cette transition8,9. Cette horloge pourrait présenter un facteur de qualité Q = ν/Δν ≈ 1019, surpassant potentiellement les meilleures horloges optiques actuelles10. Même si une telle horloge pourrait être très insensible aux perturbations externes, elle serait très sensible aux variations de la constante de structure fine α et des paramètres QCD , constituant une sonde exquise des dérives possibles des constantes fondamentales. Dans d’autres applications de l’optique quantique, l’état isomère a été proposé comme base pour le domaine de l’optique quantique nucléaire14,15 et comme qubit robuste pour l’information quantique16. Plus généralement, le cas unique du 229Th pourrait être le pionnier des lasers gamma17. La condition préalable à toutes ces expériences est une preuve sans ambiguïté de l’existence de l’état isomère, une mesure de son énergie et une démonstration de son adressabilité optique.

Jusqu’à présent, la plupart des études sur le 229Th ont eu recours à la spectroscopie gamma à haute résolution1,2,3,4. Des schémas de différenciation ont été utilisés pour déterminer indirectement l'énergie de l'état isomère. La dernière mesure place l'énergie d'excitation à 7,8(5) eV, correspondant à une longueur d'onde de 159(10) nm dans la gamme des ultraviolets sous vide (VUV)4,18. Les erreurs systématiques de cette mesure pourraient être sous-estimées19. Des preuves supplémentaires de l’existence d’un état isomère ont été obtenues à partir d’expériences de collision20.

Un certain nombre d'expériences ont été réalisées pour observer le photon VUV émis lors de la désintégration de l'état isomère. Ces mesures ont généré soit des résultats faux21,22 qui ont été rapidement réfutés23,24, soit des résultats nuls6,7,25,26. La durée de vie de l’état isomère devrait être de l’ordre de 1 000 s3,27,28. Deux expériences visaient à mesurer la durée de vie des isomères via la spectroscopie alpha29 et la désintégration gamma30, mais n'ont trouvé aucun signal. Une expérience récente revendique l’observation du photon VUV avec une durée de vie de l’isomère de 6(1) heures5, mais elle est très controversée31.