Введение в специальность Квантовая метрология. Ядерные часы

Квантовые технологии
Кодирование Криптография
Computing
Симуляция
Детекторы
Сенсорика
Стандарты
частоты

Государственный эталон времени и частоты РФ работает с точностью на уровне 5×10-16. В результате Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) обеспечивает точность позиционирования объектов на уровне 1-2 метров.
СТАНДАРТЫ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
Высокоточные измерения гравитационной карты Земли позволят проводить дистанционное обнаружение полезных ископаемых.
При такой точности (!) можно проверить гипотезу об изменении фундаментальных физических констант со временем.
Точность 10-19 – 10-20
Точность 10-17 – 10-18
Точность 10-15 – 10-16
Точность позиционирования достигнет нескольких десятков сантиметров и обеспечит высокоточное управление объектами в режиме удаленного доступа.
Стандарт такого уровня чувствителен к величине силы тяжести в разных точках Земли и откроет путь к созданию гравитационных навигационных карт как альтернативы сегодняшней спутниковой навигации.
Сегодня
Завтра
Послезавтра

ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ НА ХОЛОДНЫХ АТОМАХ СТРОНЦИЯ
Лазерные лучи (1-7) обеспечивают замедление, охлаждение и формируют магнитооптическую ловушку
В NIST достигнута точность 2.1×10-18
на часовом переходе 1S0-3P0
Источник атомов стронция
Зеемановский замедлитель
1
2
3
4
5
6
7
Облако (R~1 мм) из 104
охлажденных (T~1 мкК) атомов 87Sr в магнитооптической ловушке
Атомы стронция в
оптической решетке, образованной пересекающимися лазерными лучами

Измерения энергии ядерного перехода в 229Th гамма-спектроскопией
229Th isomer level:
7.6(0.5) eV
103 -105 s lifetime
B. R. Beck et al., Phys. Rev. Lett. 98 (2007)
229Th isomer level
(improved result):
7.8(0.5) eV
B. R. Beck et al., Proceedings Materials (2010)

Чем интересен торий?
Свойства изомерного перехода в ядре 229Th:
Энергия перехода:
8.09 ± 0.13 эВ [1]
8.28 ± 0.17 эВ [2]
Длина волны ~155 нм
Время излучательного распада изомерного состояния ~ 1 час
Малая естественная ширина ~ 1 мГц
Экранирование ядра атомными электронами приводит к уменьшение чувствительности ядерного перехода к внешним возмущениям на несколько порядков
[1] Bestimmung der Isomerenergie von 229Th mit dem hochauflösenden Mikrokalorimeter-Array maXs30 Geist, Jeschua. - PhD Thesis, Heidelberg, (2020)
[2] B. Seiferle, et al, Energy of the 229Th nuclear clock transition, Nature volume 573, (2019)

Общепринятый метод
Исследование ядер отдачи 229Th при распаде 233U
Содержат 2% ядер заселенных в изомерное состояние
Оказалось, что метод неэффективен! Сигнал определяется фоном от короткоживущих дочерних продуктов распада U-233
[E. Peik, K. Zimmermann, Phys. Rev. Lett. 111, 018901 (2013)](comment)
MgF2
Измерения γ-распада изомера 229mTh: ядра отдачи 229Th от α-распада 233U имплантируют в MgF2 в течение нескольких часов. Источники 233U затем удаляют, регистрируется эмиссия фотонов с поверхности MgF2 с помощью ФЭУ.
X. Zhao, Y. N. Martinez de Escobar, R. Rundberg, E.M. Bond, A. Moody, and D.J. Vieira
Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, USA

Th:LiSAF
LiCaAlF6
LiSrAlF6
CaF2
Na2ThF6
Th:
Hudson‘s group (The University of California, Los Angeles)
Для данной системы группой Хадсона не обнаружено подтверждений существования ядерного измерного перехода в ядрах тория в диапазоне энергий 7.3-8.8 эВ с временем жизни 2000-5600 с.
Results of a direct search using synchrotron radiation for the low-energy 229Th nuclear isomeric transition // PRL 114 (2015)
Исследование широкополосных кристаллов с 229Thn+
на источниках СИ в ультрафиолетовом спектре

In 2015, within the framework of the FET project
(Future and Emerging Technologies)
The European consortium "nuClock" was created
The consortium includes 8 partners focused on the study of the nuclear transition in thorium-229:
PTB (Germany)
LMU (Germany)
University of Juvaskylä (Finland)
Max Planck Institute of Nuclear Physics (Germany)
University of Vienna (Austria) Max Planck Institute (Germany)
Toptica Photonics
Participants of the consortium for 2015-2020
a number of breakthrough results were obtained
The transition energy remains "Terra Incognita" !

The Munich 229mTh recoil ion experiment
L. v. d. Wense, P. Thirolf et al., Nature 533, 47 (2016)
Регистрация распада изомерных ядер через канал электронной конверсии
«Доказательство теоремы о существовании»

Период полураспада изомерных ядер на поверхности твердого тела: 7±1 μs
Cогласуется с оценками Ткаля Е.В. [Sov. Phys. JETP 72, 387 (1991); PRC 92, 054324 (2015)]
Важное наблюдение: время жизни изомерных ядер для ионов в ловушке зависит от зарядности ионов тория
Th+: <10 ms - возможно ограничено распадом через канал электронного моста (?)
Th2+: <60 s - ограничено химическими реакциями с атомами остаточного газа
(время удержания ионов в ловушке)
Продолжение работы Nature
Измерение характеристик изомерного распада пучка ионов 229mTh3+ (синяя кривая) и сравнительное измерение с 233U3+ (красная кривая)
Наплыв обусловлен
распадом изомерных
ядер 229mTh

Сравнение результатов лазерной спектроскопии ионов тория-229 в 2-х ловушках:
1 - Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) загружается 229Th2+ методом лазерной абляции;
2 - Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) загружается 229Th2+ ионами отдачи от α-распада 233U
LMU
PTB
2% ионов в ловушке LMU находятся в изомерном состоянии
По сверхтонкому расщеплению измерены:
магнитный дипольный момент
изомерного состояния μm = -0,37 (6) μN
квадрупольный момент
изомерного состояния Q0m= 8.7 (3) eb
Энергия перехода остается «Terra Incognita» !

Подготовка чистых кристаллов 229Th3+
Phys. Rev. Lett. 106, 223001
Исследование ядерного перехода оптического диапазона и перспективы создания квантового регистра на ионах с использованием квадрупольной ловушки Пауля
Цепочка охлажденных ионов тория

Aarhus
Amherst
Basel
Berkeley
Bonn
Citadel
Clemson
Denison
Duke
Erlangen
ETH-Zurich
Freiburg
Georgia Tech
Griffith
Hannover
Honeywell
Indiana
Innsbruck
Lincoln Labs
Lockheed
Maryland/JQI
Mainz
MIT
Munich
NIST-Boulder
Northwestern
NPL-Teddington
Osaka
Oxford
Paris
Pretoria
PTB-Braunschweig
Saarbrucken
Sandia
Siegen
Simon Fraser
Singapore
Sussex
Sydney
Tsinghua-Beijing
UCLA
Washington-Seattle
Weizmann
Williams
Trapped Atomic Ions
Yb+ crystal
~5 μm

Программируемый квантовый компьютер на ионах
Laser
S. Debnath, et al., arXiv:1603.04512 (to appear in Nature, 2016)

2S1/2
ωHF/2π = 12.642 812 118 GHz
|↓〉 = |0,0〉
|↑〉 = |1,0〉
Atomic Qubit (171Yb+)

2S1/2
2P1/2
369 nm
2.1 GHz
γ/2π = 20 MHz
|↓〉
|↑〉
Atomic Qubit Detection
ωHF/2π = 12.642 812 118 GHz

2S1/2
2P1/2
369 nm
γ/2π = 20 MHz
|↓〉
|↑〉
2.1 GHz
Atomic Qubit Detection
|↓z〉
|↑z〉
ωHF/2π = 12.642 812 118 GHz

Многосекционная квадрупольная ловушка Пауля

2. Получение ионов 229Thn+
Сканирующая
система
Абляционный лазер
Мишень тория
Th3+
Th2+
Th1+
Laser parameters :
Ширина импульса ~ 25 нс
Max. энергия в импульсе ~ 300 мДж
Пятно фокусировки ~ 100 мкм
Фокусировка
Распределение по энергиям ионов 232Th+, 232Th2+, 232Th3+, сформированных при лазерной абляции твердотельной мишени металлического 232Th
Разрыв плазмы
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ

К насосам
Фотографии экспериментальной установки.
а. Обзорная фотография установки по получению, захвату и охлаждению ионов тория;
б, в Фотографии оптической схемы;
г. Фотография, демонстрирующая ввод лазерного излучения в вакуумную камеру через окно во фланце
Перестраиваемый диодный лазер,
Блок управления лазером,
Оптический изолятор,
Пластинка λ/2,
Светоделительный кубик,
Зеркало,
Входной сенсор измерителя длин волн,
Измеритель длин волн,
Коллиматор для ввода излучения в оптоволкно
а
Абляционный лазер
Камера для регистрации сигнала флуоресценции
Вакуумная камера
квадрупольной ловушки
Ввод лазерного излучения в вакуумную
камеру
Система сканирования мишени
Блоки управления потенциалами квадруполя
Установка каф.78 Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ

Институт ЛаПлаз реализует программу:
Квантовая метрология
Спец.курсы по квантовой информатике
Каф.78
Введение в квантовую информатику
Прецизионные измерения
Атомная спектроскопия
Каф.32
Введение в теорию квантовых вычислений
(Методы квантовой механики в кибернетике)
Элементы квантовой информатики
Каф.37
Лазерная спектроскопия и охлаждение атомов

229Th
e-
229Th
Si
SiO2
Previous experiments in MEPhI on the excitation of isomeric 229mTh nuclei by an electron beam in local thorium silicon oxide compound
1 000 Bq → 1015 atoms
d=10-2 cm – diameter of thorium spot
S ≈ 10-4 cm2 – square of electron beam
nTh≈1023 cm2 – atomic density
ƛel ≈ 10-4 cm – IMFP in ThSiO4 for 30 keV electrons
N(229Th) ≈ nTh·S·ƛel ~ 1015 atoms
el
d

X-ray emission spectra
ThLα1.2
ThLβ1.2
ThLγ1
ThMα1.2
Local electrochemical deposition of thorium-229 compound

Production of isomeric thorium-229 nuclei
by electron beam irradiation
AIP Advances 6, 095304 (2016);
doi:10.1063/1.4962661
If electron beam is 1 mkA
the expected level of the desired signal is
1-10 counts/second

The conventional method
Investigation of recoil nuclei 229Th in the decay of 233U
Contain 2% of the nuclei populated in the isomeric state
It turned out that the method is ineffective! The signal is determined by the background from the short-lived daughter products of U-233 decay
[E. Peik, K. Zimmermann, Phys. Rev. Lett. 111, 018901 (2013)](comment)
MgF2
Measurements of the γ-decay of the isomer 229mTh: the recoil nuclei 229Th from the α-decay of 233U are implanted in MgF2 for several hours. The 233U sources are then removed, and photon emission from the MgF2 surface is detected with a PMT.
X. Zhao, Y. N. Martinez de Escobar, R. Rundberg, E.M. Bond, A. Moody, and D.J. Vieira
Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, USA

Pioneer work [V.F. Strizhov and E.V. Tkalya, Sov. Phys. JETP 72, 387 (1991)]
When intense laser radiation is applied to thorium-containing targets, the electrons of the laser plasma from states of the continuous spectrum with energy E populate the levels of the Th + ion, that is, they enter the states of the discrete spectrum with energy Eb. The nucleus is then excited by a virtual photon, which is produced at this transition. The process in consideration is the inverse of the process of decay of the isomeric nuclear state through the internal electron conversion channel of gamma rays and has an extremely high cross section as compared to direct excitation by electrons or plasma photons.
~ 108 cores 229mTh
for one laser pulse
Questions for the experimental implementation:
How to obtain information about the isomeric state from the complex spectrum of a laser plasma?
How to exclude conversion channels of decay?
How to measure energy?

We have refined a UNIQUE METHOD!
The wide-gap (Egap≈9.0 eV) dielectric crystal doped with 229mThn +
Important:
Flight time 229mThn+ < 1 us
Life time 229mTh > 7 us
The overwhelming majority of 229mTh nuclei remain in the excited state after implantation
Excitation of isomeric thorium-229 nuclei in a laser plasma by the inverse electron conversion mechanism and their injection into the near-surface region of a thin SiO2 / Si (001) layer

Schematic of the system for analyzing the spectral characteristics of secondary electrons, the emission of which is recorded during the decay of excited thorium-229 nuclei implanted in a thin-film silicon oxide matrix. The silicon wafer acts as a photocathode.
Detection system for a single-photon signal in the vacuum
ultraviolet range. Conducting spectral analysis

The schematic of the device and the appearance of the UHV complex for pulsed laser deposition and in situ studies of the electronic structure of the surface, ultrathin layers by the methods of XPS AES, UPS, and REELS, created in NRNU MEPhI based on the XSAM-800 Kratos electronic spectrometer.
ELECTRONIC SPECTROMETER NRNU MEPhI

Target 229Th
Th/SiO2/Si(001)
A=100 kBq
232Th/ 229Th=13.6
α-spectrum

SAMPLE WITH THORIUM-229 AFTER IMPLANTATION IN THE ELECTRONIC ENERGY ANALYZER CHAMBER

Energy spectra of electrons, the emission of which is recorded after laser implantation of thorium-229 nuclei. The inset shows an enlarged image of the radioactive background, measured 16 hours after implantation. The intensity of the background corresponds to the number of nuclei 229Th ~ 1012
SIGNAL DETECTION!

Defocusing of the laser beam and lowering of the plasma temperature
Decreasing of the laser ablation intensity

The decay of a long-lived state in the near-surface region of the SiO2 / Si (001) substrate after laser implantation of thorium-229
Monotonically damped signal
after implantation 229Thn+
in a thin (6 nm) oxide of SiO2
Background signal after implantation 229Thn+
in a thick (600 nm) SiO2 oxide
t, sec
Signal, conts/sec
Absence of a signal after implantation 232Thn+
in a thin (6 nm) oxide of SiO2
t = 225 ± 25 sec

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Kinetic Energy, eV
Wide spectra of electrons emitted from the Th:SiO2 samples due to the alpha decay (A = 30 Bq)
Narrow spectra of electrons emitted from the Th:SiO2 samples collected after laser implantation of thorium-229 immediately
Comparison of Spectra

100% Fr-221 decay shifted on 30 seconds (As the thorium-229 decay daughter with the most shorten half-time)
The decay of a long-lived state in the near-surface region of the SiO2 /Si (001) substrate after laser implantation of thorium-229
Not exponential decay!
Exponential
decay line 2
Exponential decay line 1
Decreasing of the laser ablation intensity

The Purcell Effect
An increase or decrease in the probability of spontaneous emission in the presence of boundaries (for example, in a resonator) as compared with the speed of spontaneous emission in a space without boundaries
Sample

Half-life
The experimental data are described by a single free parameter - the half-life of an isomeric state in a bare nucleus in a vacuum T1 / 2 = 1850 s

2.1
2.7
3.5
5.6
Calibration of photoelectron spectra
when working with ultraviolet sources
KEmax =hv - WFSi
hvTh = 7.1 eV
Th
Kr
Xe
D
Intensity, imp / s

The transition energy: 7.1 (+0.1/- 0.2) eV
Half-life: 1850 +/- 150 sec
NECESSARY UPDATE BY METHODS OF PRECISION OPTIC SPECTROSCOPY
The initial analysis of the electron spectra and band structure shows that the detected signal is due to the decay of isomeric thorium-229 nuclei
The cross-check shows that the signal is not recorded when:
Defocusing of the laser beam and lowering of the plasma temperature
Implantation of thorium-232 ions
Implantation of thorium-229 ions in pure silicon
Implantation of thorium-229 ions in thick oxide
Implantation of graphite, silicon, silicon oxide

Preliminary Study of Photons
PMT R6835
No Signal
PMT R166
Signal Detected!
PMT
Sample