固态钍-229原子核钟的频率稳定性

固态钍-229（²²⁹Th）核钟有望为精密计量和基础物理研究带来新机遇。得益于核跃迁对环境固有的低敏感性，与当前的光晶格原子钟相比，固态晶体中可容纳的辐射源数量多了几个数量级。此外，仅需简单热控制的固态系统是开发可现场部署紧凑型时钟的关键。本研究探索并表征了²²⁹Th:CaF₂核钟跃迁的频率重现性——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、温度及时间的变化。研究发现，核跃迁的非均匀线宽具有浓度依赖性，且受宿主晶体固有性质的限制。我们确定²²⁹Th:CaF₂核钟的最佳工作温度为196(5) K，在此温度下，一阶温度敏感性消失。这使得利用不同四极分裂线进行原位温度协同传感成为可能，从而将温度引起的系统频移降低到10⁻¹⁸以下的相对频率不确定度水平。在195 K时，两种不同掺杂的²²⁹Th:CaF₂晶体在7个月内的核跃迁频率重现性为220 Hz（相对值1.1×10⁻¹³）。这些结果为理解、控制和利用固态宿主中²²⁹Th的相干核激发，以及将其应用于限制基本常数的时间变化奠定了基础。