論文の概要: Origin of the inhomogeneous linewidth in a solid state $^{229}$Th:CaF$_2$ nuclear clock
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.04205v1
- Date: Sat, 03 Oct 2026 01:43:05 GMT
- ステータス: 情報取得中
- システム内更新日: 2026-10-06 21:04:14.007863
- Title: Origin of the inhomogeneous linewidth in a solid state $^{229}$Th:CaF$_2$ nuclear clock
- Title（参考訳）: 固体状態$^{229}$Th:CaF$_2$核時計における不均一線幅の起源
- Abstract要約: Narrow Linewidth (High-Q) 量子ディスクリミネータは、固体229ドルTh核時計の実現に不可欠である。
温度, トリウム濃度, 四重極状態の関数としての線幅の系統的測定により, この拡張の源泉を$29$Th:CaF$$で検討した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.967124644650873
- License:
- Abstract: Narrow linewidth (high-Q) quantum discriminators are essential for realizing solid-state $^{229}$Th nuclear clocks, yet the observed transition linewidths remain at the tens-to-hundreds-of-kilohertz level, far exceeding the sub-Hertz linewidth set by the radiative lifetime of the nuclear isomer. Here, we investigate the origin of this broadening in $^{229}$Th:CaF$_2$ through systematic measurements of the linewidth as functions of temperature, thorium concentration, and quadrupole state, accompanied by theoretical analysis and first-principle simulations. We find that the linewidth is independent of temperature, increases linearly with thorium concentration, and depends strongly on the quadrupole state. Data analysis identifies variations of the local electric-field gradient (EFG) as the dominant source of inhomogeneous broadening and reveals that the EFG disorder increases linearly with thorium concentration. The observed Lorentzian line shapes and linewidth linear concentration dependence are explained naturally from the $1/r^3$ scaling of a random distribution of long-range dopant-induced perturbations. Complementary atomistic and \textit{ab initio} density-functional-theory calculations reproduce these characteristic features and provide insights into the microscopic defect configurations responsible for the broadening. These results establish the dominant broadening mechanism in solid-state $^{229}$Th and provide guidance for engineering nuclear-clock materials with reduced inhomogeneous broadening.
- Abstract（参考訳）: Narrow linewidth (high-Q) 量子ディスクリミネーターは固体の$^{229}$Th核時計を実現するのに必須であるが、観測された遷移線幅は、核異性体の放射寿命によって設定されたサブヘルツ線幅よりもはるかに大きい、数十から100のキロヘルツレベルに留まっている。
本稿では, 温度, トリウム濃度, 四重極状態の関数として線形幅を系統的に測定し, 理論的解析と第一原理シミュレーションを行った。
線幅は温度によらず, トリウム濃度とともに直線的に増加し, 四重極状態に強く依存することがわかった。
データ解析により, 局所電界勾配(EFG)の変動が不均一な拡張の主要因であることが明らかとなり, EFG障害がトリウム濃度とともに直線的に増加することが明らかとなった。
観測されたローレンツ線形状と直線幅の線形濃度依存性は、長距離ドパント誘起摂動のランダム分布の1/r^3$スケーリングから自然に説明される。
補足原子論と 'textit{ab initio} 密度汎関数理論計算はこれらの特徴を再現し、拡大に寄与する微視的欠陥構成に関する洞察を与える。
これらの結果は、固体の$^{229}$Thにおいて支配的な膨張機構を確立し、不均一な膨張を低減した核時計材料の設計指針を提供する。
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