Generation and spectroscopic characterization of continuous-wave 148.4-nm light in strontium tetraborate

Tief im Inneren des Atoms verhält sich der Kern normalerweise wie ein schwerer, träger Anker, der die hektische Aktivität der um ihn herum wirbelnden Elektronen weitgehend ignoriert. Doch in dem seltenen Isotop von Thorium, das als Thorium-229 bekannt ist, birgt der Kern ein Geheimnis: Er besitzt einen winzigen, niederenergetischen Zustand, der durch Licht angeregt werden kann. Dieser Übergang geschieht bei einer spezifischen Lichtfarbe, die für das menschliche Auge unsichtbar ist und im Vakuum-Ultraviolett-Bereich liegt. Da dieser Kernsprung so isoliert von der unordentlichen Umgebung der äußeren Schale des Atoms stattfindet, verspricht er, das stabilste, präziseste Ticken vorzustellen, das man sich vorstellen kann. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, eine Uhr zu bauen, die diese nuklearen Ticks zählt, wäre sie weitaus genauer als die besten heutigen Atomuhren und könnte die Art und Weise, wie wir die Zeit messen, die Welt navigieren und die fundamentalen Gesetze der Physik testen, revolutionieren. Die Schwierigkeit besteht darin, dass das Licht, das benötigt wird, um diesen nuklearen Sprung auszulösen, extrem schwer zu erzeugen und noch schwerer zu messen ist, da es vom der Umgebungsluft leicht geschluckt wird und spezialisierte Kristalle erfordert, um es zu generieren.

Ein Forschungsteam aus China hat nun einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem es einen stetigen Strahl dieses schwer fassbaren Lichts erzeugte und ein maßgeschneidertes Werkzeug zu dessen Untersuchung baute. Sie konzentrierten sich auf die Erzeugung von Licht bei einer Wellenlänge von 148,4 Nanometern, der exakten Frequenz, die erforderlich ist, um den Thorium-229-Übergang anzutreiben. Dazu verwendeten sie einen Kristall aus Strontiumtetraborat, einem Material, das seine interne Struktur nicht natürlich so ausrichtet, dass es Licht effizient umwandelt. Anstatt zu versuchen, den Kristall perfekt auszurichten, verließen sich die Forscher auf die zufällige, chaotische Anordnung winziger Regionen innerhalb des Kristalls, um die Arbeit zu erledigen. Sie strahlten einen starken ultravioletten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 296,8 Nanometern in den Kristall. Während dieses Licht durch die ungeordnete interne Struktur des Kristalls passierte, wurde ein kleiner Teil davon in die kürzere, energiereichere Wellenlänge von 148,4 Nanometern umgewandelt, die sie benötigten. Dieser Prozess, bekannt als zufälliges Quasi-Phasenanpassung (random quasi-phase matching), ermöglichte es ihnen, einen kontinuierlichen Strom des Ziellichts zu erzeugen, ohne die komplexe, perfekte Ausrichtung zu benötigen, die normalerweise für solche Aufgaben erforderlich ist.

Um genau zu verstehen, was sie erschaffen hatten, baute das Team ein kompaktes Spektrometer, ein Gerät, das dazu dient, verschiedene Lichtfarben zu trennen und deren Intensität zu messen. Da das Ziellicht vom Sauerstoff in der Luft sehr leicht absorbiert wird, wurde der gesamte optische Pfad in einer Kammer mit trockener Stickstofffüllung versiegelt. Sie verwendeten ein Prisma aus Calciumfluorid, einem Material, das für dieses tiefe Ultraviolettlicht transparent ist, um den Strahl zu brechen. Da das Ziellicht stärker bricht als das ursprüngliche Pumplicht, spaltete das Prisma sie in zwei deutliche Linien auf. Ein empfindlicher Detektor, der durch Spiegel und einen schmalen Schlitz vor dem hellen Pumplicht geschützt war, scannte über den Winkel, an dem das neue Licht erschien. Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, zu bestätigen, dass das von ihnen erzeugte Licht tatsächlich die korrekte Wellenlänge besaß, und ihre Leistung mit hoher Präzision zu messen. Sie fanden heraus, dass das neue Licht durch einen klaren Abstand vom Pumplicht getrennt war, was bewies, dass ihre Methode das gewünschte Signal erfolgreich vom überwältigenden Hintergrundrauschen isolierte.

Die Messungen ergaben, dass die Menge des erzeugten Lichts stark davon abhängt, wie der Kristall behandelt wird. Als die Forscher die Leistung des Eingangs-Lasers variierten, stieg die Ausgabe des neuen Lichts in einer vorhersehbaren, quadratischen Weise an, was bestätigte, dass der Prozess als echter Frequenzverdoppler funktionierte. Die überraschendste Entdeckung kam jedoch, als sie die Auswirkung der Temperatur untersuchten. Sie erwarteten, dass der Kristall das meiste Licht bei einer einzigen, glatten Temperaturspitze produzieren würde. Stattdessen fanden sie eine gezackte Landschaft aus Gipfeln und Tälern vor. Als sie den Kristall von Raumtemperatur auf etwa 52 Grad Celsius erwärmten, stieg und fiel die Lichtausbeute mehrfach an, wobei deutliche Maxima bei 34, 42 und 47 Grad auftraten, die durch scharfe Abfälle nur wenige Grad entfernt voneinander getrennt waren. Dies bedeutet, dass der Kristall kein einzelner, einheitlicher Konverter ist, sondern vielmehr eine Sammlung vieler winziger, unabhängiger Konverter, von denen jeder auf leicht unterschiedliche Temperaturen reagiert. Wenn die Temperatur auch nur um ein paar Grad schwankt, kann die Ausgabe von einem Maximum zu einem Minimum abstürzen.

Die Forscher entdeckten auch, dass der Kristall unter längerer Bestrahlung empfindlich ist. Als sie das Experiment über mehrere Stunden im Vakuum durchführten, verfärbte sich der Kristall langsam gelb-braun, ein Zeichen dafür, dass das intensive Licht seine Struktur beschädigte und Defekte schuf, die das Licht absorbierten. Dieser „Verfärbungseffekt“ reduzierte die Menge des nutzbaren Lichts im Laufe der Zeit. Durch den Wechsel zu einer Stickstoffatmosphäre schützten sie den Kristall vor diesem schnellen Verfall, was einen stabileren Betrieb ermöglichte. Unter ihren besten Bedingungen, mit dem Kristall auf seiner optimalen Temperatur gehalten, erzeugte die Quelle etwa 5,7 Nanowatt Leistung bei 14 8,4 Nanometern. Obwohl diese Lichtmenge unglaublich schwach ist – viel zu schwach, um vom menschlichen Auge gesehen zu werden – reicht sie für die empfindliche Aufgabe aus, den Thoriumkern zu sondieren. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass für die Funktion einer zukünftigen Nukularuhr die Lichtquelle nicht einfach auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann; sie muss präzise auf einen dieser spezifischen Temperaturspitzen fixiert werden, und der Kristall muss vor den schädlichen Auswirkungen einer lang anhaltenden Bestrahlung geschützt werden. Diese Erkenntnisse liefern den praktischen Fahrplan, der benötigt wird, um die Lichtquellen zu stabilisieren und zu optimieren, die erforderlich sind, um die präziseste Uhr der Welt zum Leben zu erwecken.