title: VASP simulation of thorium doped magnesium flluoride
Creators: name: Pimon, Martin
Publisher: name: TU Wien
Year: 2017
Subjects: subject: elektronische Struktur
subject: MgF2
subject: Computer Simulation
subject: electronic structure
subject: MgF2
subject: computer simulation

description: Für die Konstruktion einer neuartigen Atomuhr wurde das metastabile Thorium Isotop 229mTh vorgeschlagen, weil es eine sehr niedrige Anregungsenergie besitzt, die in der Nähe von elektronischen Übergängen liegt. Diese Art von Uhr würde Zeitmessungen mit bisher unerreichter Präzision ermöglichen. Da dieses Thorium Isotop extrem selten ist, muss es in einen Kristall dotiert werden. Um die Anregungsenergie des Kerns zu messen, ist es zudem erforderlich, dass der Kristall transparent für diesen Energiebereich ist. Ein mögliches Trägermaterial ist Magnesiumfluorid mit der chemischen Formel MgF2, das mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) simuliert wurde. Der theoretische Hintergrund von VASP ist die Dichtefunktionaltheorie, die in dieser Arbeit zusammengefasst ist. Zusätzlich wird die numerische Behandlung von Moleküldynamik diskutiert. Die elektronischen und optischen Eigenschaften von MgF2 wurden in dieser Arbeit erforscht. Es wurde bestimmt, ob Thorium vom Trägermaterial als Dotand akzeptiert wird und welche Art der Ladungskompensation am wahrscheinlichsten stattfindet. Die energetisch günstigste Konfiguration ist der subsitutionale Einbau von Thorium und der interstitielle Einbau von zwei Fluor Atomen. Weiterhin wurde die Größe der Bandlücke für verschiedene Konfigurationen berechnet um zu überprüfen, ob MgF2 transparent für die Isomerenergie bleibt. Es wird gezeigt, dass die Bandlücke ihre ursprüngliche Größe für die wahrscheinlichsten Konfigurationen nahezu behält. Zusätzlich stammen die ersten angeregten Zustände beinahe ausschließlich vom Thorium Atom. Es könnte daher möglich sein, dass der Kern über den Elektronenbrückenmechanismus angeregt wird, was einen Ausblick auf weitere theoretische und experimentelle Arbeit eröffnet.
description: For the construction of new types of atomic clocks, the metastable thorium isotope 229mTh has been proposed due to its extremely low excitation energy, which lies in the range of electronic transitions. This type of clock may realize time measurements with unparalleled precision. Since this thorium isotope is very rare, it needs to be doped into a host crystal. To measure the core transition energy, it is necessary that the crystal is transparent in that energy regime. A possible host for the thorium isomer is magnesium fluoride with the chemical formula MgF2, which was simulated using the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP). The theoretical background of VASP is Density Functional Theory, which is summarized in this work, in addition to the numerical treatment of molecular dynamics. The electronic structure and optical properties of MgF2 were studied and it was determined whether thorium will be accepted as a dopant and which charge compensations occur. Energetically, the most favorable compensation is a substitutional doping of thorium with the interstitial placement of two fluorine atoms. Furthermore, the size of the band gap was determined for different configurations to see if MgF2 stays transparent for the isomer energy. It is shown that the gap preserves its size for the most probable configurations. Additionally, the first excited states originate almost exclusively from the thorium atom. It may therefore be possible that the nucleus is excited via the electron-bridge mechanism, which serves as an outlook for further theoretical and experimental work.