計測学：^229mTh核異性体遷移と⁸⁷Sr原子時計の周波数比

光原子時計は、電子エネルギー準位を使って正確に時を刻む。原子核エネルギー準位に基づく時計は、精密計測と基礎物理学の研究のための次世代プラットフォームとして期待される。トリウム229（²²⁹Th）の原子核は、最先端の真空紫外（VUV）レーザー光源が到達できる範囲内で他に類を見ない低エネルギー核遷移を示すことから、原子核時計を構成するものとして提唱されている。しかし、核異性体^229mThの量子状態を分解できる分光を行って、基礎となる原子核構造を決定し、既存の原子時計との直接的な周波数接続を確立することは、いまだ実現されていない。今回我々は、VUV周波数コムを用いて、固体CaF₂ホスト物質中の狭い²²⁹Th原子核時計遷移を直接励起し、絶対遷移周波数を決定した。我々は、基本周波数コムをJILAの⁸⁷Sr時計に合わせて安定化させ、フェムト秒エンハンスメント共振器を用いて基本波からVUV領域の7次高調波へのコヒーレントなアップコンバートを行った。このVUVコムにより、原子核エネルギー準位と電子エネルギー準位の間の周波数リンクが確立され、²²⁹Th原子核時計遷移と⁸⁷Sr原子時計の周波数比を直接測定することが可能になった。我々はまた、核四重極分裂を精密に測定し、この核異性体の固有の性質を抽出した。これらの結果は、原子核に基づく固体光時計の始まりを示すものであり、我々の知る限り、基礎物理学研究に向けた原子核時計と原子時計の最初の比較を実証している。今回の成果は、精密計測学、超高速強磁場物理学、原子核物理学、基礎物理学の融合を表している。

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