論文の概要: Dawn of a nuclear clock: frequency ratio of the $^{229m}$Th isomeric transition and the $^{87}$Sr atomic clock
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.18719v1
- Date: Wed, 26 Jun 2024 19:38:45 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-07-01 19:01:16.318195
- Title: Dawn of a nuclear clock: frequency ratio of the $^{229m}$Th isomeric transition and the $^{87}$Sr atomic clock
- Title（参考訳）: 原子時計の夜明け:$^{229m}$Thアイソマー遷移と$^{87}$Sr原子時計の周波数比
- Authors: Chuankun Zhang, Tian Ooi, Jacob S. Higgins, Jack F. Doyle, Lars von der Wense, Kjeld Beeks, Adrian Leitner, Georgy Kazakov, Peng Li, Peter G. Thirolf, Thorsten Schumm, Jun Ye,
- Abstract要約: トリウム229核は、最先端真空紫外(VUV)レーザー光源の届く範囲内で、一意に低エネルギーの核転移を示す。
固体CaF$ホスト材料中の229ドルTh原子核時計遷移を励起するために、VUV周波数コムを用いる。
このVUVコムは、核エネルギーレベルと電子エネルギーレベルの周波数リンクを確立し、27ドルSr原子時計と229ドルTh原子時計の周波数比を直接測定することができる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.7896543155588804
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Optical atomic clocks$^{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.
- Abstract（参考訳）: 光原子時計$^{1,2}$ 時間を正確に追跡するために電子エネルギーレベルを使用する。
核エネルギーレベルに基づく時計は、精密気象学と基礎物理学研究のための次世代プラットフォームを約束する。
トリウム229核は、最先端真空紫外(VUV)レーザー光源の届く範囲内で、一意に低エネルギーの核遷移を示すため、最初の原子時計(英語版)の建設が提案されている。
しかし、$^{229m}$Th異性体の量子状態分解分光により核構造が決定され、既存の原子時計との直接周波数接続が確立されていない。
ここでは、VUV周波数コムを用いて、固体CaF$_2$ホスト材料中の狭い$^{229}$Th核時計遷移を直接励起し、絶対遷移周波数を決定する。
我々は、基本周波数コムをJILA $^{87}$Srクロック$^2$に安定化し、フェムト秒拡張キャビティを用いて、VUVの7番目の高調波にコヒーレントに変換する。
このVUVコムは、核エネルギーレベルと電子エネルギーレベルの周波数リンクを確立し、$^{229}$Th核時計遷移と$^{87}$Sr原子時計の周波数比を直接測定することができる。
また、核四極子分裂を正確に測定し、異性体の固有の性質を抽出する。
これらの結果は核ベースの固体光時計の始まりであり、基礎物理学研究のための原子時計と原子時計の初めての比較を実証している。
この研究は、精密気象学、超高速強磁場物理学、核物理学、基礎物理学の融合を表している。
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