Науковці запустили ядерний годинник на переході торію-229
Дослідники продемонстрували ядерний годинник на переході торію-229 із вакуумно-ультрафіолетовим лазером і кристалом CaF₂.
Дослідники продемонстрували роботу ядерного годинника, синхронізованого з переходом ізомеру торію-229 у кристалі фториду кальцію. Систему стабілізували за вузькою спектральною лінією ядерного переходу, використовуючи безперервний вакуумно-ультрафіолетовий лазер із довжиною хвилі 148,4 нм. Про результати повідомляє Nature.
Лазер і кристалічний еталон
Випромінювання для вимірювань отримували методом резонансного чотирихвильового змішування в парах кадмію. Установка генерувала 10 мкВт безперервного світла на 148,4 нм із оціненою шириною лінії менш як 1 Гц; приблизно 5 мкВт надходило на поверхню кристала з торієм-229.
Науковці виготовили два кристали торій-229:CaF₂ — S1 і TS1. Для створення TS1 використали розчин для вирощування, що містив 1,4 мкг торію-229, або 10 кБк. Цей кристал не мав бульбашок, мав діаметр 1,09 мм, довжину 4,94 мм і середню концентрацію торію-229 2,2 × 1017 см−3. Його пропускання вакуумно-ультрафіолетового світла становило 7%.
Стабілізація за ядерним переходом
У кристалі дослідники зафіксували широку квадрупольно-нерозділену структуру та п’ять вузьких квадрупольно-розділених переходів. Для роботи годинника обрали лінію b, що відповідає переходу між визначеними ядерними підрівнями. У TS1 її повна ширина на половині максимуму становила 27(1) кГц. Також команда виміряла час життя збудженого стану після резонансного збудження — 631(2) секунди.
Щоб швидко зчитувати слабкий ядерний відгук, автори вимірювали поглинання світла кристалом. Резонансна частка поглинання була близько 10−4, тому частоту випромінювання модулювали, а сигнал пропускання демодулювали. Отриманий дисперсійний сигнал використовували для коригування частоти лазера та замикання контуру зворотного зв’язку на ядерному резонансі.
Перевірка двох зразків
Заміна фотопомножувача на фототрубку прямого фотоструму та використання кристала TS1 поліпшили співвідношення сигналу до шуму для лінії b приблизно у 20 разів порівняно з початковою конфігурацією S1 із фотопомножувачем. Дослідники також перевіряли відтворюваність частоти переходу між двома незалежно виготовленими кристалами та зіставляли її з попередніми вимірюваннями на інших кристалах торій-229:CaF₂.
