直接检测嵌入超导纳米线中的 229
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Th 的 8.4 eV 内转换能
Galen O'Neil，1 Kjeld Beeks，2 Eric Hudson，3 Justin Jeet，3 David Leibrandt，3 Marion
Mallweger，4 Sae Woo Nam，1，*Sayan Patra，1，5，†Gil Porat，6，‡Dileep Reddy，1，5
Thorsten Schumm，7 Stephen B.Schoun，6 Benedict Seiferle，8 Christian Schneider，3
Lars von der Wense，9 Peter G.Thirolf，8 Varun Verma，1 Jun Ye，6 和 Chuankun Zhang 6
1
国家标准与技术研究所，325 百老汇，博尔德，CO 80303，美国 2 洛桑理工学院，Rte
Cantonale，1015 洛桑，瑞士 3 加州大学洛杉矶分校，物理与天文学系，
475 Portola Plaza Knudsen 1-129，洛杉矶，CA 90095，美国 4 斯德哥尔摩大学
物理系，SE-106 91 斯德哥尔摩，瑞典 5 科罗拉多大学物理系，博尔德，CO
80303，美国
6
JILA，国家标准与技术研究所和物理系，科罗拉多大学，博尔德，科罗拉多州 80309，美国
7
TU Wien，原子和亚原子物理研究所，Stadionallee 2，1020 维也纳，奥地利
8
慕尼黑路德维希-马克西米利安大学物理系，Am Coulombwall 1，85748 Garching，德国 9 约翰内斯·谷登堡美因
茨大学物理研究所，Staudingerweg 7，55128 美因茨，德国（日期：2025 年 8 月 25 日）
我们报道了通过内部转换（IC）衰变通道直接测量异构第一激发态 229
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Th 的 8.4 eV 核激发能。来
自 233U α 衰变的热化和质量过滤的反冲 229
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Th 离子被递送到超导纳米线传感器的表面并嵌入。离子
被中和，触发 IC 衰变，IC 衰变释放的能量被纳米线传感器以高量子效率检测。能量分辨率由纳米线
传感器的内部量子效率的电流依赖性实现。这里介绍的技术是对基于光的检测方案的补充。IC 衰变通
道比光电发射通道快大约八个数量级，因此用超导纳米线传感器高效检测 IC 衰变的能力可能是未来
229
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Th 实验的有价值的工具。
我。介绍
锕 系 同 位 素 229Th 的 异 构 第 一 激 发 态 ， 称 为 钍 异 构 体
229mTh，是已知核物种景观中能量最低的异构激发态，比典型
的核异构体能量低约五个数量级。基于这种状态的提议的核时
钟[1]可以达到 1019 的分数精度[2,3]。
使用核跃迁将使时钟
与传统原子钟相比，对磁场和电场不太敏感，同时对基
本常数（如精细结构常数或强相互作用的尺度参数）的
潜在变化更敏感【4-8】。基于 229
m
Th 的核钟的进一步
应用包括（超轻）暗物质研究【9-13】或相对论大地测
量学【14】。
第 229mTh 钍异构体主要通过内转换（IC）或光-
*已故
†现地址：劳伦斯利弗莫尔国家实验室，7000 East Ave，利弗莫尔，CA
94550，美国
现住址：加拿大艾伯塔省埃德-蒙顿艾伯塔大学电气与计算机工程系和
物理系。
排放。这两个衰变通道具有非常不同的时间尺度。发射真空紫外
（VUV）光子的光发射通道的半衰期为 1,740（50）秒[15]。真空半
衰期的该值基于 CaF2 的寿命测量，CaF2 是一种抑制 IC 衰变通道的
VUV 透明晶体。在这些晶体中，由于电介质中光子态密度的增加，半
衰 期 降 低 了 等 于 折 射 率 立 方 的 因 子 。 CaF2 中 的 半 衰 期 为
630 （ 15 ） s 【 7 ， 15 ， 16 】 ， LiSrAlF6 中 的 半 衰 期 为
568（24）s【17】。当被激发的原子核将能量转移到电子云，喷射出
一个 转 换 电 子 时， 就会 发生 内部 转换 ，类 似于 俄歇 效应 。中 性
229mTh 的 IC 半衰 期为 7(1)µs[18-20]，比 光电发射快 约 8 个数量
级。第三个衰变通道，束缚内转换，在这里讨论的实验中不起重要作
用。
最近发表了几个基于光电发射衰变通道的钍异构体跃迁频率的测
量 结 果 【 15 ， 17 ， 21 】 。 最 准 确 的 报 告 值 为
2020407384335（2）kHz，对应于 8.355733554020（8）eV，是通过
激光激发 CaF2 晶体中的异构体获得的，激光参考基于 87Sr 的光学原
子钟[22]。因为这些测量依赖于经由光发射的衰变，所以测量周期相
对较长（数百秒）。
在这里，我们提出了一种直接检测 IC 衰变释放能量的方法，并表
明
