Generation and spectroscopic characterization of continuous-wave 148.4-nm light in strontium tetraborate
本文报道了通过在硅酸锶中利用随机准相位匹配产生连续波 148.4 nm 光的过程，并利用定制的棱镜光谱仪对其进行了光谱表征，展示了高达 5.7 nW 的温度依赖型功率输出，旨在指导固态 Th 核钟的优化。
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在原子深处，原子核通常表现得像一个沉重、迟钝的锚，很大程度上忽略了周围围绕旋转的电子所进行的疯狂活动。但在一种被称为� thorium-229（钍-229）的稀有同位素中，原子核隐藏着一个秘密：它拥有一个微小的、低能级的状态，可以通过光来轻微推动。这种跃迁发生在一种对人眼不可见的特定颜色的光上，位于真空紫外线范围内。由于这种核跃迁与原子外壳混乱的环境如此隔离，它有望成为可以想象到的最稳定、最精确的“滴答”声。如果科学家能够制造出一台通过计算这些核滴答声来计时的时钟，它将比当今最好的原子钟还要精确得多，并可能彻底改变我们测量时间、在全球范围内导航以及测试基本物理定律的方式。难点在于，触发这种核跃迁所需的光极难产生，甚至更难测量，因为它很容易被周围的空气吸收，并且需要专门的晶体来生成。
中国的一个研究小组现在通过创造出这种难以捉摸的光的稳定束流，并建造了一个定制工具来研究它，在解决这一问题上迈出了重要一步。他们专注于产生波长为 148.4 纳米的光，这正是驱动钍-229 跃迁所需的精确频率。为了实现这一点，他们使用了一种由四硼酸锶制成的晶体，这种材料的内部结构并不会自然地对齐以高效转换光。研究人员并没有强迫晶体完美对齐，而是依靠晶体内部微小区域的随机、混沌排列来完成工作。他们将一束强大的 296.8 纳米紫外光射入晶体。当这束光穿过无序的内部结构时，其中一小部分被转换为他们所需的更短、更高能量的 148.4 纳米波长。这个过程被称为随机准相位匹配，它使他们能够在不需要通常任务所需的复杂、完美对齐的情况下，生成连续的靶向光流。
为了准确了解他们到底创造了什么，该团队建造了一个紧凑型光谱仪，这是一种旨在分离不同颜色的光并测量其强度的设备。由于目标光极易被空气中的氧气吸收，整个光路都被密封在一个充满干燥氮气的腔室内。他们使用了一个由氟化钙制成的棱镜来弯曲光束，这种材料对这种深紫外光是透明的。由于目标光的折射比原始泵浦光更剧烈，棱镜将它们分散成两条不同的线。一个敏感的探测器在通过反射镜和狭缝屏蔽了明亮的泵浦光后，扫描光线出现的角度。这种设置让研究人员能够确认他们生成的确实是正确的波长，并高精度地测量其功率。他们发现，新生成的 light 与泵浦光之间有一个清晰的间距，证明了他们的方法成功地将所需的信号从压倒性的背景噪声中分离了出来。
测量结果显示，产生的光量在很大程度上取决于晶体受到的处理方式。当研究人员改变输入激光的功率时，新光的输出呈现出可预测的二次方增长，证实了该过程是一个真正的倍频过程。然而，最令人惊讶的发现出现在他们观察温度效应时。他们原以为晶体会在一个特定的、平滑的温度峰值处产生最多的光，但他们发现了一个充满峰值和谷值的锯齿状景观。当他们将晶体从室温加热到约 52 摄氏度时，输出的光量多次上升和下降，在 34、42 和 47 度处出现了明显的极大值，而这些极大值之间仅隔着几个陡峭的下降。这意味着该晶体不是一个单一、均匀的转换器，而是许多微小的、独立的转换器的集合，每个转换器对略微不同的温度做出反应。如果温度仅漂移几度，输出可能会从最大值骤降至最小值。
研究人员还发现，晶体在长时间暴露下是脆弱的。当他们在真空中运行实验数小时后，晶体慢慢变成了黄褐色，这表明强光正在破坏其结构并产生了吸收光的缺陷。这种“着色”效应随着时间的推移减少了可用光的量。通过切换到氮气环境，他们保护了晶体免受这种快速退化的影响，从而实现了更稳定的运行。在最佳条件下，即晶体保持在最适温度时，该光源在 148.4 纳米处产生的功率约为 5.7 纳瓦。虽然这个光量极其微弱——暗到肉眼无法看见——但对于探测钍原子核这一精细任务而言已经足够了。研究结论指出，为了让未来的核钟发挥作用，光源不能仅仅保持恒定温度，必须精确锁定在那些特定的温度峰值之一，并且晶体必须受到保护，免受长时间辐照的破坏性影响。这些发现为稳定和优化实现世界最精确时钟所需的光源提供了实用的路线图。
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