上海光学精密机械研究所----上海光机所在新型固体核光钟候选材料研究方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第五百十五期)

2024年5月14日

上海光机所在新型固体核光钟候选材料研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部激光晶体研究中心团队，基于密度泛函理论计算和晶体生长实验研究了掺钍氟化锂钡晶体作为一种新型固体核光钟候选材料的可行性及潜力，相关成果以“Feasibility and potential of a thorium-doped barium-lithium-fluoride single crystal as a candidate for solid-state nuclear optical clock material”为题发表于Physical Review A，并获编辑推荐。

掺钍（Th）晶体是发展固态核激光光谱学和固体核光钟的关键核心材料。研发在Th离子掺杂、VUV透过性能、抗辐照损伤和背景发光噪声等方面具有综合优势的掺 Th 晶体对于该领域的发展十分重要。氟化锂钡（BaLiF₃）晶体是一种具有立方反钙钛矿构型的真空紫外（VUV）透明晶体，该晶体具有宽的光学带隙、高的VUV透过率、良好的激光耐久性和低的熔点，是一种很有前途的窗口材料。然而，其能否作为Th离子的宿主晶体并成为一种新型固体核光钟候选材料，尚未被研究过。

研究团队采用密度泛函理论计算和实验研究了Th:BaLiF₃晶体作为一种固体核光钟候选材料的可行性及潜力。研究表明，²³²Th:BaLiF₃晶体能够实现Th 离子的有效掺杂（>10¹⁸ cm^-3），并且在核跃迁波段保持了良好的透过性能（~50%@150nm&1 mm），可以作为一种潜在的固体核光钟候选材料。但研究也指出，该体系对于Th离子的掺杂能力总体有限，在生长具有可用掺杂水平的晶体时，会消耗并浪费较多的Th原料，因此在目前²²⁹Th原料受限的条件下，不宜进一步开展掺²²⁹Th:BaLiF₃晶体的生长实验研究。