在真空紫外透明晶体中控制$^{229}$Th同质异能态的布居

放射性同位素Th-229以其极低能量、长寿命的核第一激发态而闻名。该同质异能态可由VUV激光激发，其基态跃迁已被提议作为超精密核钟的参考跃迁。此类核钟将在基础物理研究到实际应用等多个领域发挥作用。近期研究通过U-233或Ac-229的随机核衰变布居同质异能态，获得了对核跃迁能量和寿命的宝贵约束。然而，为了评估（固态）核钟概念的可行性和性能，必须实现$^{229}$Th同质异能态的时间可控激发与退激，以及辐射衰变的时间分辨监测。本文报道了通过共振X射线泵浦在VUV透明$^{229}$Th掺杂CaF$_2$晶体中布居$^{229}$Th同质异能态并检测其辐射衰变。测得衰变半衰期为$447\pm 25$秒，跃迁波长为$148.18 \pm 0.42$ nm，辐射衰变分数接近1。此外，我们报道了一种新的“X射线猝灭”效应，该效应可按需退激同质异能态，并将半衰期有效降低至少50倍。这种可控猝灭可用于显著加快未来核钟方案中的询问周期。我们的结果表明，在晶体环境中可以实现对$^{229}$Th核同质异能态布居的完全控制。特别是，可能导致同质异能态跃迁线宽展宽的非辐射衰变过程可以忽略，这为开发紧凑且稳健的固态核钟铺平了道路。需要进一步研究以揭示X射线猝灭效应的潜在物理机制。