A cryogenic Paul trap for the hyperfine structure spectroscopy of the suclear Isomer 229mTh3

Scharl, Kevin (2025): A cryogenic Paul trap for the hyperfine structure spectroscopy of the suclear Isomer 229mTh3. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Nach heutigem Wissensstand besitzt der isomere erste angeregte Zustand von 229Th mit etwa 8.4 eV die niedrigste Anregungsenergie unter den rund 3400 bekannten Nukliden. Damit liegt dieser nukleare Zustand in der Reichweite modernster VUV-Lasersysteme und stellt einen vielversprechenden Kandidaten für die Realisierung einer Kernuhr dar. Die Entwicklung einer solchen Kernuhr ist für mehrere Forschungsbereiche von großem Interesse und hat das Potenzial, nicht nur die Grenzen der hochpräzisen Zeitmessung zu verschieben, sondern auch einen Beitrag zur Dunkle-Materie-Forschung und anderen fundamentalphysikalischen Fragestellungen als neuartiger Quantensensor zu leisten. In der jüngsten Vergangenheit wurden mehrere Meilensteine auf dem Weg zur Kernuhr durch VUV-spektroskopische Messungen an 229Th, eingebettet in einem Festkörper, erreicht. Komplementär dazu, ist der Aufbau einer kryogenen Paul-Falle an der LMU München darauf ausgelegt, 229(m)Th3+ Ionen zu speichern, die durch gleichzeitig gefangene 88Sr+ Ionen sympathetisch Doppler-gekühlt werden. Mit Fallenspeicherzeiten, die die Halbwertszeit des isomeren Zustands übertreffen, erlaubt dieser Ansatz spektroskopische Messungen der elektronischen Hyperfeinstruktur in 229(m)Th3+. Eine solche Spektroskopie stellt eine effiziente Methode dar, zwischen den beiden Kernzuständen zu unterscheiden und bietet ein mögliches Ausleseschema für den isomeren Zustand – ein entscheidender Schritt für die Realisierung einer Kernuhr. Darüber hinaus kann der Aufbau verwendet werden, um die Vakuum-Halbwertszeit des isomeren Zustands mit höherer Präzision zu bestimmen als bisher bekannt. Langfristig soll das System auch als Plattform für die VUV-Spektroskopie des Isomers dienen und ebnet damit den Weg zu einem fallenbasierten Prototyp einer Thorium-Kernuhr. Diese Arbeit gibt einen detaillierten Überblick über den experimentellen Aufbau an der LMU München und beschreibt mehrere Charakterisierungsmessungen, die während der Inbetriebnahme durchgeführt wurden. Außerdem beschreibt sie die erfolgreiche und zuverlässige Erzeugung von 88Sr+ Ionen sowie deren Einfang und Laserkühlung in der kryogenen Paul-Falle als Ausgangspunkt für sympathetisches Kühlen von 229(m)Th3+ Ionen. Zudem, wird die angestrebte Langzeitspeicherung von 229Th3+ in einer 88Sr+ Coulomb-Kristall Umgebung mit einer Temperatur von wenigen mK mit einer Lebensdauer von t ~ 8000 s demonstriert.

Abstract

To this day, the isomeric first excited state of 229Th has the lowest excitation energy of about 8.4 eV among the about 3400 known nuclides. Like this, the nuclear state is within the reach of state-of-the-art VUV laser systems and represents a candidate for the realization of a nuclear clock. The development of such a device is of high interest for several research fields and holds promise not only to push the limits of high-precision time keeping but also to contribute to dark matter and other fundamental physics research as a novel type of quantum sensor. Only recently, several milestones towards the nuclear clock were achieved in VUV spectroscopic measurements of 229Th embedded in a solid-state environment. Complementary to that, the cryogenic Paul-trap setup at LMU Munich is designed to confine 229(m)Th3+ ions that are sympathetically Doppler cooled with co-trapped 88Sr+ ions. With storage times exceeding the half-life of the isomeric state, this approach allows for spectroscopy measurements of the electronic hyperfine structure in 229(m)Th3+. Such a spectroscopy provides an efficient method to distinguish between the two nuclear states and represents a possible scheme for the isomeric-state readout necessary for the realization of a nuclear clock. Furthermore, the apparatus can be used to determine the vacuum ionic half-life of the isomeric state with a higher precision than the so far reported value. In the long run, the setup will also serve as a platform for VUV spectroscopy of the isomer, paving the way towards a trap-based thorium nuclear clock prototype. This work gives a detailed overview of the experimental setup at LMU Munich and describes several characterization measurements performed during the commissioning phase. In addition, it successfully demonstrates the reliable generation of 88Sr+ ions as well as their confinement and Doppler cooling in the cryogenic Paul trap as the starting point for sympathetic cooling of 229(m)Th3+ ions. Furthermore, the intended long-time storage of 229Th3+ within a few mK 88Sr+ Coulomb crystal environment is shown with a lifetime of t ~ 8000 s.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 3. Dezember 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Thirolf, Peter