基于^229Th的核时钟

原子钟使时间和频率成为物理学中测量最精确的物理量,从实现SI秒定义的微波标准逐步发展到如今达到空前精度水平的光学钟。核钟将频率基准从电子跃迁转移到\(^{229}\)Th原子核中独特的低位、激光可触及的同核异能跃迁,为紧凑、稳健的计时以及基础物理的敏感测试提供了一条路径。然而,要将\(^{229}\)Th核共振光谱学的最新进展转化为时钟运行,需要核跃迁作为稳定的鉴频器来导引可溯源的振荡器。本文通过将连续波窄线宽148.4纳米真空紫外激光锁定到固态基质中已分辨的核跃迁上,演示了\(^{229}\)Th核钟的运行。这种时钟运行得益于基于光电管对透射真空紫外功率进行光电流读数的快速频率鉴别。该10微瓦真空紫外激光由镉蒸气中的四波混频产生,从自生长的\(^{229}\)Th:CaF\(_2\)晶体获取高信噪比的吸收信号,使激光能够锁定到对温度弱敏感的核跃迁。该时钟的分数频率不稳定性达到\(2\times10^{-12}/\sqrt{\tau/s}\),其中\( \tau \)为平均时间。值得注意的是,使用两种不同晶体测量的核钟频率在\(10^{-13}\)量级上一致,证明了固态核频率基准的可复现性。通过将激光寻址的原子核作为可运行的时钟基准,该工作将量子计量学从电子跃迁扩展到核跃迁,并为紧凑型时钟、固态核量子传感器以及基础物理的精密测试开辟了一个新平台。

作者单位: VIP可见
提交arXiv: 2026-06-07 22:53

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