Torium-229m

Pada tahun 1976, spektroskopi sinar gamma pertama kali mengindikasikan bahwa ²²⁹Th memiliki sebuah isomer nuklir, ^229mTh, dengan energi eksitasi yang sangat rendah.^[19] Pada saat itu energinya disimpulkan di bawah 100 eV, murni berdasarkan non-pengamatan peluruhan langsung isomer. Namun, pada tahun 1990, pengukuran lebih lanjut mengarah pada kesimpulan bahwa energinya hampir pasti di bawah 10 eV,^[20] membuat isomer ini menjadi salah satu isomer dengan energi eksitasi terendah yang diketahui. Pada tahun-tahun berikutnya, energinya dibatasi lebih lanjut menjadi 3,5 ± 1,0 eV, yang untuk waktu yang lama merupakan nilai energi yang diterima.^[21] Energi rendah seperti itu segera membangkitkan minat karena secara konseptual memungkinkan eksitasi laser langsung dari keadaan nuklir,^[22] yang mengarah ke beberapa aplikasi potensial yang menarik, misalnya pengembangan jam atom dengan keakuratan sangat tinggi^[5][6] atau sebagai qubit untuk komputasi kuantum.^[23]

Eksitasi laser nuklir ^229mTh dan juga pengembangan jam nuklir sejauh ini terhambat oleh pengetahuan yang tidak memadai tentang sifat isomer tersebut. Pengetahuan yang tepat tentang energi isomer sangat penting dalam konteks ini, karena menentukan teknologi laser yang diperlukan dan mempersingkat waktu pemindaian saat mencari eksitasi langsung. Hal ini memicu banyak penyelidikan, baik teoretis maupun eksperimental, mencoba menentukan energi transisi secara tepat dan untuk menentukan sifat lain dari keadaan isomer ²²⁹Th (seperti masa pakai dan momen magnet).^[24]

Pengamatan langsung foton yang dipancarkan dalam peluruhan isomer akan membantu secara signifikan untuk menentukan nilai energi isomer. Sayangnya, hingga hari ini, belum ada laporan yang sepenuhnya meyakinkan tentang pendeteksian foton yang dipancarkan dalam peluruhan ^229mTh. Sebagai gantinya, pengukuran spektroskopi sinar gama yang ditingkatkan menggunakan mikrokalorimeter sinar-X resolusi tinggi yang canggih dilakukan pada tahun 2007, menghasilkan nilai baru untuk energi transisi E = 7,6 ± 0,5 eV,^[25] dikoreksi menjadi E = 7,8 ± 0,5 eV pada tahun 2009.^[26] Pergeseran energi isomer dari 3,5 eV ke 7,8 eV mungkin menjelaskan mengapa beberapa upaya awal untuk mengamati transisi secara langsung tidak berhasil. Namun, sebagian besar pencarian terbaru untuk cahaya yang dipancarkan dalam peluruhan isomer gagal untuk mengamati sinyal apapun,^{[27][28][29][30]} menunjuk ke arah saluran peluruhan non-radiatif yang berpotensi kuat. Deteksi langsung foton yang dipancarkan dalam peluruhan isomer diklaim pada 2012^[31] dan sekali lagi pada 2018.^[32] Namun, kedua laporan tersebut saat ini menjadi bahan diskusi kontroversial di dalam komunitas.^[33][34]

Deteksi langsung elektron yang dipancarkan di saluran peluruhan konversi internal ^229mTh dicapai pada tahun 2016.^[35] Namun, pada saat itu energi transisi isomer ini hanya dapat dibatasi secara lemah menjadi antara 6,3 dan 18,3 eV. Akhirnya, pada tahun 2019, spektroskopi elektron non-optik dari elektron konversi internal yang dipancarkan dalam peluruhan isomer memungkinkan penentuan energi eksitasi isomer ini menjadi 8,28±0,17 eV, yang merupakan nilai energi paling tepat saat ini.^[4] Namun, nilai ini tampak bertentangan dengan pracetak 2018 yang menunjukkan bahwa sinyal serupa seperti foton VUV xenon 8,4 eV dapat ditampilkan, tetapi dengan sekitar 1,3+0,2
−0,1 eV lebih sedikit energi dan masa pakai 1880 detik.^[32] Dalam makalah itu, ²²⁹Th disematkan dalam SiO₂, mungkin menghasilkan pergeseran energi dan mengubah masa pakai, meskipun keadaan yang terlibat terutama nuklir, melindungi mereka dari interaksi elektronik.

Sebagai kekhasan energi eksitasi yang sangat rendah, masa pakai ^229mTh sangat bergantung pada lingkungan elektronik nukleus. Dalam ion ²²⁹Th, saluran peluruhan konversi internal dilarang secara energik, karena energi isomerik berada di bawah energi yang diperlukan untuk ionisasi Th⁺ lebih lanjut. Hal ini menyebabkan masa pakai yang mungkin mendekati masa pakai radiasi ^229mTh, yang tidak ada pengukurannya, tetapi secara teoretis diprediksi berada dalam kisaran antara 10³ hingga 10⁴ detik.^[36][37] Secara eksperimental, untuk ion ^229mTh²⁺ dan ^229mTh³⁺, ditemukan masa hidup isomer lebih dari 1 menit.^[35] Berlawanan dengan itu, dalam atom ²²⁹Th netral, saluran peluruhan konversi internal diizinkan, yang mengarah ke masa hidup isomer yang berkurang 9 kali lipat menjadi sekitar 10 mikrodetik.^[38][36] Masa pakai dalam kisaran beberapa mikrodetik memang dikonfirmasi pada tahun 2017 untuk atom ^229mTh netral terikat permukaan, berdasarkan deteksi sinyal peluruhan konversi internal.^[10]

Dalam percobaan tahun 2018, dimungkinkan untuk melakukan karakterisasi spektroskopi laser pertama dari sifat nuklir ^229mTh.^[39] Dalam percobaan ini, spektroskopi laser kulit atom ²²⁹Th dilakukan menggunakan awan ion ²²⁹Th²⁺ dengan 2% ion dalam keadaan tereksitasi nuklir. Hal ini memungkinkan penyelidikan pergeseran hyperfine yang disebabkan oleh keadaan spin nuklir yang berbeda dari tanah dan keadaan isomer. Dengan cara ini, nilai eksperimen pertama untuk dipol magnetik dan momen kuadrupol listrik ^229mTh dapat disimpulkan.

Pada tahun 2019, energi eksitasi isomer ini dibatasi menjadi 8,28±0,17 eV berdasarkan deteksi langsung elektron konversi internal^[4] dan populasi aman ^229mTh dari keadaan dasar nuklir dicapai dengan eksitasi keadaan tereksitasi nuklir 29 keV melalui sinkrotron radiasi.^[40] Pengukuran tambahan oleh kelompok yang berbeda pada tahun 2020 menghasilkan angka 8,10±0,17 eV (153,1±3,2 nm panjang gelombang).^[41] Menggabungkan pengukuran ini, kami memiliki energi transisi yang diperkirakan sebesar 8,12±0,11 eV.^[42]

Keadaan tereksitasi sebesar 29.189,93 eV dari ²²⁹Th meluruh ke keadaan isomer dengan probabilitas 90%. Kedua pengukuran tersebut merupakan langkah penting selanjutnya menuju pengembangan jam nuklir. Eksperimen spektroskopi gamma juga mengkonfirmasi pemisahan energi 8,3 eV dari jarak ke level 29.189,93 eV.^[43] 8,28 eV (150 nm) dapat dicapai sebagai harmonik ke-7 dari laser serat iterbium dengan sisir frekuensi VUV.^[44][45][46] Pencocokan fase gelombang kontinu untuk pembangkitan harmonik mungkin tersedia.^[47]