[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次通过真空紫外频率梳锁定至JILA的$^{87}$Sr原子钟，实现了$^{229\mathrm{m}}$Th核跃迁与基于$^{87}$Sr的原子钟之间的直接频率比较。实验实现了对$^{229}$Th核同质异能跃迁频率的精确测量，并建立了核能级与电子能级之间的直接联系，标志着迈向核光学钟的重要里程碑。

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.

研究动机与目标

• 建立$^{229}$Th核同质异能跃迁与光学原子钟之间的直接频率关联，以实现精密计量。
• 在固态基质材料（CaF₂）中以高精度测量$^{229}$Th核跃迁的绝对频率。
• 利用量子态分辨光谱法测定核内禀性质，如四极分裂能级与跃迁能量。
• 实现未来核钟与电子钟之间的比较，以检验基础物理问题，包括精细结构常数可能的时变性。

提出的方法

• 飞秒频率梳锁定至JILA的$^{87}$Sr光学原子钟，为整个系统提供稳定参考。
• 通过飞秒增强腔中的7次谐波产生，将频率梳基频相干上转换至真空紫外（VUV）波段。
• 利用VUV频率梳对掺$^{229}$Th的CaF₂晶体中的$^{229}$Th核同质异能跃迁进行直接激发，实现高光谱分辨率。
• 通过量子态分辨光谱法解析精细结构并测量核四极分裂能级。
• 利用稳定化的VUV频率梳直接测量$^{229}$Th核跃迁与$^{87}$Sr钟之间的频率比。
• 该系统实现了对$^{229}$Th同质异能跃迁绝对频率的亚ppm级不确定度测定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固态基质材料中，$^{229}$Th核同质异能跃迁的绝对频率是多少？
• RQ2 与$^{87}$Sr原子钟相比，$^{229}$Th核跃迁的频率如何？
• RQ3 在CaF₂晶格中，$^{229}$Th同质异能态的核内禀性质（如四极分裂）是什么？
• RQ4 能否利用VUV频率梳在核跃迁与原子钟之间建立直接频率关联？
• RQ5 核钟与原子钟之间频率比测量的精度与稳定性如何？

主要发现

• 测得$^{229}$Th核同质异能跃迁的绝对频率为265.511666(10) THz，相对不确定度为3.8 × 10⁻⁹。
• 确定了$^{229}$Th核跃迁与$^{87}$Sr原子钟之间的频率比，相对不确定度为4.1 × 10⁻⁹。
• 精确测定了$^{229}$Th同质异能态的核四极分裂，为核波函数与电场梯度提供了深入见解。
• 实验展示了利用VUV频率梳对$^{229}$Th核跃迁实现相干激发，从而实现直接频率比较。
• 结果为未来核光学钟的构建以及基础物理的精密测试（包括精细结构常数可能的时变性）奠定了基础。
• 该系统实现了核能级与电子能级之间稳定且可溯源的频率关联，支持钟表的交叉校准。