atomic clock; thorium; calcium fluoride; ab-initio simulation; electronic strtucture; density functional theory
en
Abstract:
Das Thorium Isotop 229Th zeigt mit 7,8(5) eV entspr. 159nm das niedrigste Grundzustands- dublett aller bekannten Kerne. Es wurde daher vorgeschlagen diese Anregung als 'atomic clock' zu verwenden. Experimentell verwendet man einen CaF2 Einkristall, der mit Th dotiert wird. Dabei geht man davon aus, dass Th die Ca Positionen besetzt und dass, aufgrund der der Valenz 4+ (Ca hat 2+) noch zwei zusätzliche Kompensationsladungen vorhanden sein müssen um den isolierenden Zustand zu erhalten. Die Aufgabe der Diplomarbeit war es nun diese experimentelle Situation in einer ab-initio Rechnung zu überprüfen. Dabei wurde untersucht welche Gitterplätze Th tatsächlich einnimmt, wo die Kompensationsladungen sitzen und welche Art von Kompensation in Frage kommt. Es konnte gezeigt werden, dass die energetisch günstigste Variante der Einbau von 2 zusätzlichen Fluor Atomen ist, dabei wurden auch die energetisch günstigsten Gitterplätze für die F Atome bestimmt. Weitere Untersuchungen befassten sich mit der Simulation von diversen Verunreinigungen, die im Produktionsprozess auftreten können. Dabei konnte gezeigt werden, dass Verunreinigungen mit Sauerstoff zu zusätzlichen elektronischen Zuständen in der Mitte des isolierenden gaps führen, die eine optische Anregung des gewünschten Th Überganges verhindern würden.
de
The Thorium isotope 229Th exhibits the lowest groundstate dublett of all known nuclei (7,8(5) eV resp. 159nm). It was thus suggested to employ this excitation as an 'atomic clock' . Experimentally one uses a CaF2 single crystal which becomes doped with Th. It is assumed that Th occupies a Ca site, however, due to the different valence (Th is 4+ and Ca is 2+) there must be 2 additional compensation charges present to maintain the insulating state. In the present masters thesis ab-initio calculations were performed to simulate the experimental assumptions and to verify them. It was studied which lattice sites are really occupied by Th and which type of compensation actually occurs. It was shown that the energetically most reasonable compensation is provided if 2 additional F ions are present, moreover also the crystrallographic positions of these compensation charges were determined. Further studies concerned the simulation of various impurities which can occur during the crystal growth. It was shown that oxygen impurities lead to additional electronic states in the insulating gap, which would hinder optical exitations of the Th nucleus.
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Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zusammenfassung in deutscher Sprache
