基于激光的钍-229氧化物转换电子穆斯堡尔光谱研究突破低带隙材料限制

《Nature》：Laser-based conversion electron M?ssbauer spectroscopy of 229ThO2

本刊推荐：研究人员针对22?Th核异构体在固体材料中研究受限于高带隙基体的难题，开展了激光诱导转换电子穆斯堡尔光谱（CEMS）研究。通过在带隙（约6 eV）小于核跃迁能量（8.4 eV）的ThO?薄膜中成功实现核激发检测，测得核跃迁频率为2,020,407.5(2)stat(30)sysGHz，内转换（IC）寿命约12.3 μs。该技术突破了传统核荧光探测对材料带隙的限制，为开发基于转换电子的核钟和新型传感器开辟了新路径。

　　

在量子精密测量领域，钍-229（22?Th）核异构体的极低能级跃迁（约8.4 eV）一直被视为实现下一代核钟的理想体系。与传统原子钟相比，核钟具有对环境扰动不敏感、稳定性更高等潜在优势，有望重新定义时间单位"秒"，并为基础物理检验提供全新平台。然而，近50年来该领域面临一个关键瓶颈：现有探测技术依赖核荧光信号，要求基质材料的带隙必须大于核跃迁能量，这极大限制了可用材料体系的选择。

为解决这一难题，加州大学洛杉矶分校Eric R. Hudson团队在《Nature》发表了突破性研究成果。他们首次在带隙仅为6 eV的二氧化钍（ThO?）薄膜中实现了激光激发22?Th核异构体的转换电子穆斯堡尔光谱（CEMS）探测。这一创新方法利用内转换过程产生的电子信号而非荧光信号，成功绕过了材料带隙限制，为核钟技术和固态环境探测开辟了新天地。

关键技术方法主要包括：通过电沉积制备约10 nm厚22?ThO?薄膜靶材；搭建真空紫外（VUV）激光系统（脉冲能量6-8 μJ，重复频率30 Hz）；采用电场-磁场复合聚焦技术分离内转换电子与背景光电子；通过时间门控探测（6-40 μs时间窗）实现信噪比优化。

研究结果：

光谱测量与频率确定

通过扫描VUV激光频率并检测电子信号，团队获得了清晰的核共振谱线。洛伦兹拟合确定核跃迁中心频率为2,020,407.5(2)_stat(30)_sysGHz，线宽12.4(4) GHz，与前期在高带隙材料中的测量结果一致。共振时每个激光脉冲平均检测到0.41(5)个电子/μJ，与理论预期相符。

内转换寿命测量

通过分析共振激发后电子计数的时间演化，测得IC寿命为12.3(3) μs。这一结果与22?Th注入研究中的测量值以及理论计算具有可比性，证实了在ThO?环境中IC过程的有效性。

理论计算与机制阐释

团队结合密度泛函理论（DFT）和相对论原子多体微扰理论，计算了ThO?中的异构体位移和IC速率。理论预测核跃迁频率为2,020,407,338(70) MHz，与实验值高度吻合。计算表明IC过程主要通过将氧阴离子的电子转移到Th的6p轨道成分实现，理论估计IC寿命约80 μs，考虑交叉项和相对论效应后可缩短至15 μs，与实验值处于同一量级。

核钟性能展望

基于CEMS的核钟具有显著优势：IC衰减速率（约10? s?1）比辐射衰减快10?倍，可大幅缩短时钟 interrogation 周期；电子电流读取（约300 nA）为微型化提供可能。理论预测在100 μW激光功率下，ThO?转换电子钟的稳定度可达2×10?1?/√τ。

这项研究首次将激光核光谱学拓展至低带隙材料体系，不仅为核钟技术提供了更简化的实现方案，还使22?Th跃迁成为探测固体中局域声子、电子和核结构的灵敏探针。未来通过结合核跃迁与声子跃迁的非共振激发，有望实现精度远超传统穆斯堡尔光谱的核共振振动光谱，为材料科学和基础物理研究开辟新的前沿。