La reproducibilidad de la frecuencia de los relojes nucleares de estado sólido de torio-229 en estado sólido.

Área de la Ciencia:

• La física nuclear es la física nuclear.
• Metrología de la metrología.
• Física del estado sólido física del estado sólido.

Sus antecedentes:

• Los relojes nucleares de estado sólido de torio-229 (229Th) están emergiendo como poderosas herramientas para la metrología de precisión y la investigación física fundamental.
• Su baja sensibilidad a los factores ambientales y el potencial para una alta densidad de emisores en cristales de estado sólido ofrecen ventajas sobre los relojes atómicos actuales.
• Los sistemas de estado sólido que requieren solo un simple control térmico son cruciales para desarrollar relojes compactos y desplegables en el campo.

Objetivo del estudio:

• Explorar y caracterizar la reproducibilidad de frecuencia de la transición del reloj nuclear 229Th:CaF2.
• Para investigar el impacto de la concentración de dopaje, la temperatura y el tiempo en el ancho de línea y la frecuencia central de la transición.
• Establecer una base para el control de la excitación nuclear coherente de 229Th en anfitriones de estado sólido.

Principales métodos:

• Medición del ancho de línea de transición y la frecuencia central bajo diferentes concentraciones de dopaje, temperaturas y con el tiempo.
• Caracterización del ancho de línea inhomogéneo dependiente de la concentración, identificando limitaciones debido a las propiedades intrínsecas del cristal huésped.
• Determinación de una temperatura de trabajo óptima (196(5) K) donde la sensibilidad térmica de primer orden desaparece.

Principales resultados:

• Se informó del ancho de línea inhomogéneo dependiente de la concentración de la transición nuclear, limitado por las propiedades del cristal CaF2.
• Se identificó una temperatura de trabajo óptima de 196(5) K, a la que la sensibilidad térmica de primer orden se vuelve insignificante.
• A 195 K, se logró una reproducibilidad de frecuencia de 220 Hz (1,1 × 10-13 incertidumbre fraccionaria) para dos cristales 229Th: CaF2 dopados de manera diferente durante siete meses.

Conclusiones:

• El estudio proporciona datos fundamentales para comprender y controlar la excitación nuclear coherente de 229Th en huéspedes de estado sólido.
• La temperatura óptima identificada y la reproducibilidad lograda allanan el camino para el desarrollo de relojes nucleares compactos y altamente estables.
• Estos avances tienen potencial para aplicaciones en la limitación de las variaciones temporales de las constantes fundamentales y la mejora de la metrología de precisión.