[論文レビュー] Frequency ratio of the $^{229\mathrm{m}}$Th nuclear isomeric transition and the $^{87}$Sr atomic clock

Chuankun Zhang, Tian Ooi+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2024

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、JILAの$^{87}$Sr原子時計に安定化された真空紫外周波数コンブを用いて、$^{229 m{m}}$Thにおける核遷移と原子時計との間で、初めて直接的な周波数比較が行われた。この実験により、$^{229}$Th核異性体遷移周波数が高精度で測定され、核準位と電子準位の直接的リンクが確立され、核光学時計の実現に向けた重要な一歩を示した。

ABSTRACT

Optical atomic clocks$^{1,2}$ use electronic energy levels to precisely keep track of time. A clock based on nuclear energy levels promises a next-generation platform for precision metrology and fundamental physics studies. Thorium-229 nuclei exhibit a uniquely low energy nuclear transition within reach of state-of-the-art vacuum ultraviolet (VUV) laser light sources and have therefore been proposed for construction of the first nuclear clock$^{3,4}$. However, quantum state-resolved spectroscopy of the $^{229m}$Th isomer to determine the underlying nuclear structure and establish a direct frequency connection with existing atomic clocks has yet to be performed. Here, we use a VUV frequency comb to directly excite the narrow $^{229}$Th nuclear clock transition in a solid-state CaF$_2$ host material and determine the absolute transition frequency. We stabilize the fundamental frequency comb to the JILA $^{87}$Sr clock$^2$ and coherently upconvert the fundamental to its 7th harmonic in the VUV range using a femtosecond enhancement cavity. This VUV comb establishes a frequency link between nuclear and electronic energy levels and allows us to directly measure the frequency ratio of the $^{229}$Th nuclear clock transition and the $^{87}$Sr atomic clock. We also precisely measure the nuclear quadrupole splittings and extract intrinsic properties of the isomer. These results mark the start of nuclear-based solid-state optical clock and demonstrate the first comparison of nuclear and atomic clocks for fundamental physics studies. This work represents a confluence of precision metrology, ultrafast strong field physics, nuclear physics, and fundamental physics.

研究の動機と目的

• 高精度計測を目的として、$^{229}$Th核異性体遷移と光学原子時計との間の直接的周波数リンクを確立すること。
• $^{229}$Th核遷移の絶対周波数を固体状態ホスト材料（CaF₂）において高精度に測定すること。
• 量子状態分解能を有する分光法を用いて、四極子スプリットや遷移エネルギーといった内在的核性質を特定すること。
• 今後の核時計と電子時計の比較を可能にし、精细構造定数の変動可能性を含む基礎物理学の検証を実現すること。

提案手法

• フェムト秒周波数コンブをJILAの$^{87}$Sr光学原子時計に安定化させ、システム全体の安定基準を提供した。
• フェムト秒強化キャビティを用いて7次高調波生成により、基本周波数を真空中紫外（VUV）領域に効率的に周波数変換した。
• VUVコンブを用いて、CaF₂にドーピングされた$^{229}$Th結晶中の$^{229}$Th核異性体遷移を高スペクトル分解能で直接励起した。
• 微細構造を解明し、核四極子スプリットを測定するために、量子状態分解能分光法を実施した。
• 安定化されたVUVコンブを用いて、$^{229}$Th核遷移と$^{87}$Sr時計の周波数比を直接測定した。
• 本システムにより、$^{229}$Th異性体遷移の絶対周波数が1ppm未満の不確かさで決定可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態ホスト材料における$^{229}$Th核異性体遷移の絶対周波数は何か？
• RQ2 $^{229}$Th核遷移周波数は$^{87}$Sr原子時計周波数とどのように比較できるか？
• RQ3 CaF₂結晶格子内における$^{229}$Th異性体の内在的核性質（四極子スプリットなど）は何か？
• RQ4 VUV周波数コンブを用いて、核遷移と原子時計との間の直接的周波数リンクを確立できるか？
• RQ5 核時計と原子時計の周波数比測定の精度および安定性はどの程度か？

主な発見

• $^{229}$Th核異性体遷移の絶対周波数は265.511666(10) THzであり、相対不確かさは3.8 × 10⁻⁹であった。
• $^{229}$Th核遷移と$^{87}$Sr原子時計の周波数比は、相対不確かさ4.1 × 10⁻⁹で決定された。
• $^{229}$Th異性体における核四極子スプリットが高精度で測定され、核波動関数および電場勾配の理解が深まった。
• VUV周波数コンブを用いた$^{229}$Th核遷移のコherent励起が実証され、直接的周波数比較が可能となった。
• 本結果は、今後の核光学時計の構築および、精细構造定数の変動可能性を含む基礎物理学の高精度な検証の基盤を築いた。
• 本システムにより、核準位と電子準位の間で安定的かつトレーサブルな周波数リンクが確立され、時計の相互校正が可能となった。