論文の概要: Frequency reproducibility of solid-state Th-229 nuclear clocks
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.01180v1
- Date: Tue, 01 Jul 2025 20:39:16 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-04 15:37:14.867927
- Title: Frequency reproducibility of solid-state Th-229 nuclear clocks
- Title（参考訳）: 固体Th-229核時計の周波数再現性
- Authors: Tian Ooi, Jack F. Doyle, Chuankun Zhang, Jacob S. Higgins, Jun Ye, Kjeld Beeks, Tomas Sikorsky, Thorsten Schumm,
- Abstract要約: 固体の229ドルTh:CaF$$核時計は、精密気象学と基礎物理学の新しい機会を提供する。
遷移線幅と中心周波数の周波数をドーピング濃度,温度,時間関数として特徴付ける。
195Kでの229ドルTh:CaF$$核時計の最適作業温度を決定する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.39984500192099387
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Solid-state $^{229}$Th nuclear clocks are set to provide new opportunities for precision metrology and fundamental physics. Taking advantage of a nuclear transition's inherent low sensitivity to its environment, orders of magnitude more emitters can be hosted in a solid-state crystal compared to current optical lattice atomic clocks. Furthermore, solid-state systems needing only simple thermal control are key to the development of field-deployable compact clocks. In this work, we explore and characterize the frequency reproducibility of the $^{229}$Th:CaF$_2$ nuclear clock transition, a key performance metric for all clocks. We measure the transition linewidth and center frequency as a function of the doping concentration, temperature, and time. We report the concentration-dependent inhomogeneous linewidth of the nuclear transition, limited by the intrinsic host crystal properties. We determine an optimal working temperature for the $^{229}$Th:CaF$_2$ nuclear clock at 195(5) K where the first-order thermal sensitivity vanishes. This would enable in-situ temperature co-sensing using different quadrupole-split lines, reducing the temperature-induced systematic shift below the 10$^{-18}$ fractional frequency uncertainty level. At 195 K, the reproducibility of the nuclear transition frequency is 280 Hz (fractionally $1.4\times10^{-13}$) for two differently doped $^{229}$Th:CaF$_2$ crystals over four months. These results form the foundation for understanding, controlling, and harnessing the coherent nuclear excitation of $^{229}$Th in solid-state hosts, and for their applications in constraining temporal variations of fundamental constants.
- Abstract（参考訳）: 固体の$^{229}$Th核時計は、精密気象学と基礎物理学の新しい機会を提供するために設定されている。
核遷移の環境に対する固有の低感度を生かして、現在の光学格子原子時計に比べてはるかに多くのエミッターを固体結晶にホストすることができる。
さらに、単純な熱制御しか必要としない固体系は、電界展開可能なコンパクトクロックの開発の鍵となる。
本研究は、全てのクロックにおける重要な性能指標である、$^{229}$Th:CaF$_2$核時計遷移の周波数再現性について検討し、特徴付ける。
ドーピング濃度,温度,時間の関数として,遷移線幅と中心周波数を測定した。
核移行の濃度依存性の不均一線幅について報告する。
229ドルTh:CaF$_2$核時計の1次熱感度が消える195(5)Kにおける最適作業温度を決定する。
これにより、異なる四重極スプリット線を用いたその場温度のコセンシングが可能となり、10$^{-18}$分の周波数不確実度以下の温度誘起の系統的なシフトが減少する。
195 K では、核遷移周波数の再現性は 280 Hz (Frictionally $1.4\times 10^{-13}$) で、2 つの異なるドープされた$^{229}$Th:CaF$_2$クリスタルを4ヶ月にわたって持つ。
これらの結果は、固体ホストにおける$^{229}$Thのコヒーレント核励起を理解し、制御し、利用し、基本定数の時間的変動を制限するための基礎となる。
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