固态钍-229核钟的频率重复性

固态钍-229核钟通过优化掺杂浓度和热控制，在196±5 K实现一阶热灵敏度消失，195 K下7个月频率稳定性达220 Hz（1.1×10^-13），为量子计时和基础物理常数约束提供新方法。

摘要

固态钍-229（^229Th）核钟^{1,2,3,4,5为精密计量学和基础物理学研究提供了新的机遇6,7,8。由于核跃迁对环境的敏感性较低9，与当前的光学晶格原子钟相比，固态晶体中可以容纳多得多的发射体10。此外，固态系统仅需简单的温度控制11，这为实现便携式紧凑型时钟至关重要。本文探讨并表征了^229Th:CaF2核钟跃迁的频率重复性，这是所有时钟的关键性能指标。我们测量了跃迁线宽和中心频率随掺杂浓度、温度和时间的变化情况。研究发现，核跃迁的线宽受到晶体本身特性的限制12。我们确定^229Th:CaF2核钟的最佳工作温度为196.5 K，在该温度下一阶温度灵敏度消失。这使得可以利用不同的四极分裂线实现原位温度共感测量，将温度引起的系统误差降低到10^-18分数频率不确定度以下。在195 K时，两种不同掺杂浓度的^229Th:CaF2晶体在7个月内的核跃迁频率重复性为220 Hz（相当于1.1 × 10^-13）。这些结果为理解、控制以及利用固态晶体中的^229Th相干核激发奠定了基础，并为其在限制基本常数时间变化中的应用提供了依据。}