核科学的高科技宝石

祖母绿、红宝石、紫水晶以及许多其他宝石都有一个共同点：它们都由极其规则的晶体结构构成，在这种结构中低浓度地掺入了杂原子。从物理角度来看，这些杂原子实际上是“干扰”，是晶体中的缺陷。但它们正是赋予宝石颜色的关键。例如，紫水晶具有简单石英晶体的原子结构。然而，加入少量铁原子便赋予了它标志性的紫色。一个完全规则的晶体，其中的原子排列完全重复，通常看起来相当单调且苍白。

维也纳工业大学（TU Wien）为了寻找长期寻找的钍跃迁而生长的晶体的情况与此非常相似：这里的关键因素也是小心且精确地掺入杂原子——在这种情况下是放射性钍。在全世界研究钍跃迁的研究小组中，维也纳工业大学的研究小组是唯一能够自行生产这种含钍晶体的团队。最终，这也是他们成功的关键。

晶体中的钍原子

“如果你想用激光激发钍原子核，你基本上有两种选择，”Thorsten Schumm教授解释说，“要么你使用钍离子，用电磁场将其捕获并固定住，要么你将钍原子构建成固体。”离子阱只能捕获极少数原子，所以Thorsten Schumm很快意识到他想采用固态方法。然而，这需要克服重大的技术挑战。

“起始材料必须对激光完全透明。激光应该只对内置的钍原子起作用，”Thorsten Schumm强调说。玻璃或在原子层面上相当不规则的类似材料都不在考虑范围内，因为它们不够透明。只能使用极其规则的晶体，如氟化钙。

熔化和重新凝固

但是如何将钍原子掺入极其规则的氟化钙晶体中呢？“我们花了数年时间来开发这个过程，”Thorsten Schumm说。“我们从一个微小且非常规则的晶体开始，向其添加钍，并将其置于超高真空中。氧气会立即破坏这个过程。”然后，晶体在真空室中被加热并部分熔化。这样就形成了钍、钙和氟的液态混合物，而下面的部分晶体仍然保持固态。然后再次降低温度，让混合物沿着下面固体晶体定义的几何图案凝固。

“有许多技术细节必须精确控制，但如果你做得一切正确，就会得到一个几毫米大小的内置钍原子的非常规则的晶体。”

跨学科知识的罕见结合

起初，Thorsten Schumm并不一定要自己生产这些晶体。“有专门研究晶体生长的研究机构和公司。我进行了大量讨论，寻找能够生产这种晶体的合作伙伴，但这比我想象的要困难得多，”Schumm说。

大多数制造工艺都是为了尽可能大的晶体而优化的。然而，为了激发钍跃迁，需要小晶体：用于实验的激光束只击中样本的一个小区域，超出此范围的任何材料都只会造成干扰。“在生产小晶体时，你必须面对完全不同的困难。例如，表面张力在小尺度上起着更为重要的作用。我们也花了数年时间，才从优质的厘米级晶体发展到优质的毫米级晶体。”

此外，几乎没有研究所拥有处理放射性钍所需的知识和设备。“这对我们维也纳工业大学原子和亚原子物理研究所来说当然是一个巨大的优势，”Thorsten Schumm说。“我们得到了认证，具备辐射防护专业知识，并拥有与钍一起工作的必要设备。”如果你没有处理放射性材料的经验，那么像抛光晶体这样看似简单的步骤也会成为一个大问题。你不能在实验室里简单地产生钍尘，否则可能会被吸入。

一个全新的研究领域

Thorsten Schumm发现自己处于一个奇怪的境地，他不得不在一个并非自己真正研究领域的领域中建立世界级的专业知识：目标始终是用激光激发原子核，即将量子物理和核物理结合起来。但为了达到这个目标，也需要在材料研究领域取得突破——这实际上是一个完全不同的物理学领域。

“我从没想过自己也会成为一名固态物理学家，”舒姆（Schumm）说。“但最终，这正是成功的关键：正是因为我们自己生产、表征和测量晶体，我们才拥有决定性的优势，并与不伦瑞克（Braunschweig）的同事们一起，最终成为了取得这一关键性突破的团队。