[논문 리뷰] Frequency ratio of the $^{229\mathrm{m}}$Th nuclear isomeric transition and the $^{87}$Sr atomic clock

Chuankun Zhang, Tian Ooi외 10명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 26.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 진공 자외선 주파수 볼록체를 JILA의 $^{87}$Sr 원자 시계에 고정시켜, $^{229 m{m}}$Th의 핵 전이와 $^{87}$Sr 기반 원자 시계 사이의 첫 번째 직접 주파수 비교를 수행한다. 실험은 $^{229}$Th 핵 이소메르 전이 주파수를 정밀하게 측정하고 핵 에너지 수준과 전자 에너지 수준 간의 직접 연결을 구축하여 핵 광학 시계 개발의 전환점이 되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정밀 측정을 위해 $^{229}$Th 핵 이소메르 전이와 광학 원자 시계 사이의 직접 주파수 연결을 수립하기 위해.
• 고정밀도로 고체 주기물(예: CaF₂)에 있는 $^{229}$Th 핵 전이의 절대 주파수를 측정하기 위해.
• 양자 상태 해상도를 가진 분광법을 통해 핵 전이 에너지와 전단율 분열 등의 내재 핵 성질을 결정하기 위해.
• 미래의 핵 시계와 전자 시계 간 비교를 통해 기본 물리학 검증(예: 구조상수의 변화 가능성 포함)을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 프마토초 주파수 볼록체가 JILA의 $^{87}$Sr 광학 원자 시계에 고정되어 전체 시스템의 안정 기준이 된다.
• 프마토초 강화 공진기에서 7차 고조파 생성을 통해 기본 주파수 볼록체의 주파수를 진공 자외선(VUV) 영역으로 비선형적으로 증폭한다.
• VUV 볼록체를 사용하여 고체 상태 기질(CaF₂)에 도핑된 $^{229}$Th 결정에서 $^{229}$Th 핵 이소메르 전이를 고해상도 스펙트럼으로 직접 자극한다.
• 세밀한 구조를 해상하고 핵 전단율 분열을 측정하기 위해 양자 상태 해상도 분광법을 수행한다.
• 고정된 VUV 볼록체를 사용하여 $^{229}$Th 핵 전이 주파수와 $^{87}$Sr 시계 주파수 간의 직접 주파수 비율을 측정한다.
• 이 시스템은 $^{229}$Th 이소메르 전이의 절대 주파수를 1ppm 이내의 불확도로 결정할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 주기물에서 $^{229}$Th 핵 이소메르 전이의 절대 주파수는 얼마인가?
• RQ2 $^{229}$Th 핵 전이 주파수는 $^{87}$Sr 원자 시계 주파수와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 CaF₂ 결정 격자 내에서 $^{229}$Th 이소메어의 내재 핵 성질(예: 전단율 분열 등)은 무엇인가?
• RQ4 VUV 주파수 볼록체를 사용하여 핵 전이와 원자 시계 사이의 직접 주파수 연결을 구축할 수 있는가?
• RQ5 핵 시계와 원자 시계 간 주파수 비율 측정의 정밀도와 안정성은 얼마인가?

주요 결과

• $^{229}$Th 핵 이소메르 전이의 절대 주파수는 265.511666(10) THz로 측정되었으며 상대 불확도는 3.8 × 10⁻⁹이다.
• $^{229}$Th 핵 전이와 $^{87}$Sr 원자 시계 간 주파수 비율은 상대 불확도 4.1 × 10⁻⁹로 결정되었다.
• $^{229}$Th 이소메어의 핵 전단율 분열이 정밀하게 측정되어 핵 파동함수와 전기장 기울기의 성질에 대한 통찰을 제공한다.
• 실험은 VUV 주파수 볼록체를 사용하여 $^{229}$Th 핵 전이를 비선형적으로 자극함으로써 직접 주파수 비교가 가능함을 입증하였다.
• 결과는 향후 핵 광학 시계 개발과 구조상수의 변화 가능성 등 기본 물리학 검증을 위한 기초를 마련하였다.
• 이 시스템은 핵 에너지 수준과 전자 에너지 수준 간에 안정적이고 추적 가능한 주파수 연결을 구현하여 시계 간 교정이 가능하게 하였다.