یک ساعت هسته ای با 229 Th

ساعت‌های اتمی زمان و فرکانس را به دقیق‌ترین کمیت‌های اندازه‌گیری شده در فیزیک تبدیل کرده‌اند، و از استانداردهای مایکروویو که SI دوم 1 را به ساعت‌های نوری با دقت بی‌سابقه‌ای نشان می‌دهند، پیشرفت کرده‌اند. یک ساعت هسته ای مرجع فرکانس را از یک انتقال الکترونیکی به یک انتقال هسته ای منتقل می کند و انتقال ایزومری منحصر به فرد، قابل دسترسی لیزری، در 229 Th در حال حاضر عملی ترین مسیر را برای فشرده، زمان سنجی قوی و آزمون های حساس فیزیک بنیادی ارائه می دهد 3،4،5،6،7،8.

تحقق چنین ساعتی مستلزم تبدیل طیف سنجی رزونانس هسته ای 229 Th 9، 10، 11، 12، 13، 14، 15، 16، 17 به یک تمایز پایدار برای هدایت یک نوسانگر قابل ردیابی است. در اینجا ما یک ساعت هسته‌ای 229 Th را با تثبیت یک لیزر 18 خلاء فرابنفش (VUV) با موج پیوسته، با عرض خط باریک 148.4 نانومتر به یک انتقال هسته‌ای حل‌شده و ضعیف حساس به دما نشان می‌دهیم.

یک منبع VUV 10 میکروواتی تولید شده توسط اختلاط چهار موجی در بخار کادمیوم 18، 23، 24 و بازخوانی جذب مدولاسیون فرکانس مبتنی بر فتوتوب، یک تشخیص‌دهنده هسته‌ای سریع و با سیگنال به نویز بالا ارائه می‌کند. ساعت به ناپایداری فرکانس کسری \(5\times 1{0}^{-13}/\sqrt{\tau /{\rm{s}}}\) برای میانگین زمان τ می‌رسد. فرکانس‌های انتقال ساعت اندازه‌گیری شده در دو کریستال مستقل در سطح 10-13 مطابقت دارند و با اندازه‌گیری‌های قبلی VUV-comb در سایر کریستال‌های 229 Th:CaF2 همخوانی دارند.

این نتایج هسته‌های لیزری را به‌عنوان مرجع ساعت عملیاتی ایجاد می‌کنند و یک پلت فرم حالت جامد قابل تکرار برای ساعت‌های هسته‌ای فشرده، حسگرهای کوانتومی هسته‌ای و آزمایش‌های دقیق فیزیک بنیادی را فراهم می‌کنند.

تولید لیزر و طیف‌سنجی لیزری ریشه در ساختار الکترونیکی اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات دارند. در مقابل، انتقال‌های هسته‌ای معمولا در انرژی‌هایی بسیار بالاتر از انتقال‌های الکترونیکی معمولی رخ می‌دهند، و بیشتر تشدیدهای هسته‌ای را فراتر از دسترسی همدوس مستقیم با طیف‌سنجی نوری معمولی می‌گذارند. ایزومر 229 Th یک استثنا است. انرژی انتقال آن در محدوده خلاء- فرابنفش (VUV) قرار دارد و آن را به تنها انتقال هسته ای شناخته شده ای تبدیل می کند که می تواند مستقیما با فناوری لیزر فعلی مورد بررسی قرار گیرد.

این تصادف مسیری را برای کنترل منسجم کوانتومی یک هسته و به ویژه به یک ساعت هسته ای باز می کند که در آن مرجع فرکانس از پوسته الکترونیکی به هسته اتمی منتقل می شود.

دهه‌ها کار وجود و انرژی این حالت پست 9، 10، 11، 12، 25، 26، 27، 28، 29، 30، 31 را تثبیت کرد. مشاهده فروپاشی تشعشعی از 229 کریستال Th-doped بیشتر نشان داد که ایزومر می تواند در میزبان های شفاف VUV عمر طولانی باقی بماند 13، 32، 33، 34، 35. بر اساس این پیشرفت ها، تحریک مستقیم لیزری ایزومر 229 Th اخیرا به دست آمده است 14، 15، 16، 36، و طیف سنجی فرکانس شانه VUV اندازه گیری دقیق فرکانس انتقال هسته ای را در برابر ساعت های اتمی نوری امکان پذیر کرده است.

در میزبان‌های کریستالی، طیف‌سنجی ساختار حالت جامد تشدید هسته‌ای، از جمله انتقال‌های چهارقطبی شکاف 16، تغییرات وابسته به مکان 36، 37، حساسیت‌های دما 19 و فرکانس‌های انتقال قابل تکرار در کریستال‌ها را بیشتر حل کرده است. همراه با تعداد ماکروسکوپی هسته های ارائه شده توسط یک میزبان حالت جامد 38، 39، 40، این پیشرفت ها امکان مراجع فرکانس هسته ای فشرده و قابل استقرار میدانی را باز می کند.

یکی دیگر از عناصر فعال کننده برای عملکرد ساعت یک منبع VUV موج پیوسته در تشدید هسته ای است. اختلاط چهار موجی تشدید شده در بخار فلز 18، 23، 24 و SrB 4 O 7 شبه فاز منطبق به طور تصادفی (مرورهای 41، 42) مسیرهایی را برای تابش موج پیوسته 148.4 نانومتری فراهم کرده است. تبدیل طیف‌سنجی لیزری هسته‌ای به عملیات ساعتی نیازمند ترکیب، در یک سیستم واحد، یک کاوشگر VUV با عرض خط باریک، یک مرجع حاوی 229 Th و یک بازخوانی با پهنای باند بالا و سیگنال به نویز بالا از پاسخ هسته‌ای ضعیف، همراه با نمایش مجدد فرکانس انتقال هسته‌ای است.

قابلیت تبدیل در منابع تهیه شده مستقل

در این کار، ما تمام مواد مورد نیاز برای عملکرد ساعت 229 Th را توسعه و ادغام می کنیم. ما منبع اختلاط چهار موجی بخار کادمیوم 18 را برای تولید 10 میکرووات تابش موج پیوسته 148.4 نانومتری با پهنای خط زیر هرتز تخمین زده‌ایم. ما همچنین در یک دوره رشد واحد، یک کریستال فشرده و با کیفیت بالا 229 Th:CaF 2 از محلولی که تنها حاوی 1.4 میکروگرم (10 کیلوبایت‌کیوت) 229 Th.

در طیف‌سنجی فلورسانس و جذب، یک ساختار چهار قطبی حل نشده (QU) و یک ساختار چهار قطبی حل‌نشده (QR) را حل می‌کنیم که شامل پنج انتقال باریک، از جمله خط b است که برای عملیات ساعت استفاده می‌شود. با ترکیب این کاوشگر VUV پرقدرت قابل ردیابی با کریستال‌های خانگی، ما عملکرد اولین ساعت هسته‌ای 229 Th را با استفاده از طیف‌سنجی جذب مدولاسیون فرکانس مبتنی بر فتوتوب برای تولید تمایز هسته‌ای و بستن یک حلقه بازخورد به خط b نشان می‌دهیم.

سپس از سیستم تثبیت شده با بازخورد برای توصیف ناپایداری ساعت و آزمایش تکرارپذیری فرکانس انتقال ساعت در دو کریستال مستقل و در مقایسه با اندازه‌گیری‌های قبلی VUV-comb روی سایر کریستال‌های 229 Th:CaF2 استفاده می‌کنیم.

یک گزارش مستقل تقریبا همزمان همچنین عملکرد ساعت هسته‌ای 229 Th را با استفاده از منبع SrB 4 O 7 VUV شبه فاز منطبق تصادفی، کریستال 229 Th:CaF 2 بسیار دوپ‌شده و بازخوانی جذب پیوسته مبتنی بر لوله فتومولتی‌پلایرر، با بازخوانی پیوسته جذب هسته‌ای 44 با قابلیت جذب پیوسته نشان داده است. نور زیر نانووات 148.4 نانومتر 45 .

ما تابش موج پیوسته 148.4 نانومتری را با اختلاط چهار موجی تقویت‌شده با تشدید در بخار کادمیوم 18، 23، 24 تولید می‌کنیم. میدان 375 نانومتری با رزونانس دو فوتونی 5 1 S 0 → 6 1 S 0 کادمیوم تنظیم شده است که پاسخ غیرخطی مرتبه سوم را افزایش می دهد و یک میدان 710 نانومتری در فرآیند اختلاط چهار موجی مجموع فرکانس برای تولید تابش VUV در 14nm شرکت می کند. نور 375 نانومتری توسط نسل دوم هارمونیک لیزر 750 نانومتری مبتنی بر فیبر در یک حفره تقویت‌کننده پاپیون تولید می‌شود که 5 وات توان فرابنفش را ارائه می‌کند.

همراه با 10 وات نور 710 نانومتری از یک سیستم لیزری مبتنی بر فیبر دیگر، دو پرتو اصلی ترکیب شده و به یک کوره کادمیوم با دمای 600 درجه سانتی‌گراد فرستاده می‌شوند، جایی که 10 میکرووات تابش موج پیوسته 148.4 نانومتری تولید می‌شود. پس از کوره، نور VUV با استفاده از منشور MgF 2 18 با زاویه Brewster از پرتوهای اصلی جدا می شود و تقریبا 5 میکرووات توان VUV به سطح جلوی کریستال 229 Th:CaF 2 با قطر گاوسی تقریبا 1 میلی متر تحویل داده می شود (شکل 1a,b).

a، راه اندازی آزمایشی. نور VUV 148.4 نانومتری موج پیوسته با اختلاط چهار موجی در بخار کادمیوم تولید می‌شود و به کریستال 229 Th:CaF2 خانگی ارسال می‌شود. فلورسانس هسته‌ای با PMT جمع‌آوری می‌شود و توان VUV ارسالی با یک لوله نوری یا PMT ثبت می‌شود. در طول طیف‌سنجی جذبی و عملکرد ساعت، لیزر 710 نانومتری مدوله می‌شود و جریان نوری VUV ارسالی با دمدولاسیون قفل شناسایی می‌شود. SHG، نسل دوم هارمونیک. b، طرح سطح انرژی کادمیوم برای اختلاط چهار موجی به صورت تشدید شده.

دو فوتون 375 نانومتری رزونانس دو فوتونی را بین حالت های 5 1 S 0 و 6 1 S 0 هدایت می کنند، در حالی که یک فوتون 710 نانومتری فرآیند مجموع فرکانس را برای تولید میدان VUV 148.4 نانومتری تکمیل می کند. ج، زنجیره فرکانس نوری. لیزرهای 750 نانومتری و 710 نانومتری به یک شانه فرکانس فیبر Er خود ارجاع قفل می‌شوند، که نرخ تکرار آن (f rep) توسط یک پیوند فیبر تثبیت‌شده فاز به طول 4 کیلومتر به یک لیزر تثبیت‌شده با حفره ی برودتی سیلیکونی در 1.39 میلی‌متر تثبیت می‌شود. مدیر عامل f به یک میزر هیدروژنی اشاره دارد. د، سطوح انرژی هسته‌ای چهار قطبی 229 Th در میزبان CaF 2.

خط b، یک جزء QR مربوط به mg = ± 5/2 → m = ± 3/2 است، برای عملکرد ساعت استفاده می شود. خط c یک جزء QR مربوط به m g = ± 1/2 → m = 1/2 ± است. e، تفکیک ساعت مبتنی بر جذب و بازخورد. سیگنال جذب دمودوله شده قفل شده، سیگنال خطای پراکندگی را در نزدیکی خط b ارائه می‌کند، و تصحیح فرکانس حاصل بر روی یک AOM بین لیزر مرجع 1397 نانومتری و شانه فرکانس اعمال می‌شود، در نتیجه فرکانس VUV را به رزونانس هسته‌ای هدایت می‌کند.

رد رسم شده سیگنال جذب دمودوله شده نرمال شده را نشان می دهد که با پیکربندی لوله نوری TS1 + بهینه اندازه گیری شده است. افست فرکانس به مرکز خط نصب شده ارجاع داده می شود و هر نقطه داده مربوط به اکتساب 10 ثانیه است. تقاطع صفر نقطه قفل ساعت را مشخص می کند و شیب محلی نوسانات سیگنال دمودوله شده نرمال شده را به تنظیم مجدد باقیمانده برای سروو ساعت تبدیل می کند. دامنه مدولاسیون فرکانس برای این ردیابی 12 کیلوهرتز است. مگر اینکه طور دیگری بیان شود، تمام نوارهای خطا در سراسر این کار نشان دهنده عدم قطعیت آماری 1 σ است.

لیزرهای 750 نانومتری و 710 نانومتری به حالت‌های یک شانه فرکانس فیبر Er-Fmtosecond خودارجاعی قفل می‌شوند، که فرکانس آفست حامل-پاکت (f CEO)، با تداخل سنج f -2 f به یک سنتز دیجیتال مستقیم 46 با میزر هیدروژنی تثبیت می‌شود. نرخ تکرار، f rep، با قفل کردن شاخه شانه 1397 نانومتری به یک لیزر فوق‌پایدار 1397 نانومتری که به یک حفره سیلیکونی برودتی با ثبات سطح 10-17 ارجاع داده شده است، تثبیت می‌شود.

بنابراین شانه پایداری حفره سیلیکونی را به لیزرهای 710 نانومتری و 750 نانومتری منتقل می‌کند، در حالی که f rep و f CEO در مقابل میزر هیدروژنی محاسبه می‌شوند تا قابلیت ردیابی فرکانس VUV را فراهم کنند. تحت شرایط عملیاتی مورد استفاده برای طیف‌سنجی و عملکرد ساعت، پهنای خط VUV زیر هرتز تخمین زده می‌شود، بسیار کمتر از پهنای خط ناهمگن مشاهده‌شده انتقال‌های هسته‌ای در کریستال (شکل 1c).

دو کریستال 229 Th:CaF2، S1 (شکل 2g) و TS1 (شکل 2h)، برای طیف‌سنجی هسته‌ای لیزری موج پیوسته و عملکرد ساعت ساخته شده‌اند. هر دو کریستال به صورت استوانه های کشیده آماده می شوند که یک مسیر برهمکنش طولانی VUV و از این رو تراکم ستون 229 Th برای بازخوانی جذب کافی فراهم می کنند. S1 در موسسه اپتیک و مکانیک خوب شانگهای با استفاده از روش Bridgman-Stockbarger با گرمایش القایی فرکانس متوسط ​​رشد می کند. S1 دارای قطر 1.44 میلی متر، طول 9.8 میلی متر و میانگین غلظت 229 Th 9.7 × 10 16 cm-3 است.

کریستال حاوی حباب های کوچکی در امتداد محور مرکزی خود است (شکل 2g) و انتقال VUV تقریبا 1٪ دارد. انتقال محدود VUV و غلظت 229 Th، همراه با بخش کوچکی از هسته‌های گنجانده شده که محل QR را اشغال کرده‌اند، نسبت سیگنال به نویز (SNR) تشخیص‌دهنده جذب را کاهش می‌دهد. با این وجود، S1 هنوز از طیف‌سنجی فلورسانس، طیف‌سنجی جذبی و عملیات ساعت اولیه هسته‌ای پشتیبانی می‌کند.

یک نمای کلی طیفی از انتقال های هسته ای اندازه گیری شده در TS1 در یک محور فرکانس VUV مطلق. نمایه‌های QR و QU نصب شده نشان داده می‌شوند، با تمام نقاط داده نرمال شده تا حداکثر سیگنال اندازه‌گیری شده در طیف. b، طیف تحریک فلورسانس نرمال شده، گسترش یافته خط b (چپ، آبی)، QU (مرکز، خاکستری) و خط c (راست، نارنجی) از a. ج، سیگنال‌های جذب مدولاسیون فرکانس از همان سه مولفه طیفی اندازه‌گیری شده با یک بازخوانی PMT جریان آنالوگ در S1. هر نقطه داده برای 80 ثانیه به دست می آید.

d، سیگنال های جذب مربوطه با فوتوتوب در S1 اندازه گیری شد. هر نقطه داده برای 40 ثانیه به دست می آید. e، سیگنال های جذب با فوتوتوب در TS1 اندازه گیری شد. هر نقطه داده برای 10 ثانیه به دست می آید. در b – e، افست فرکانس به مرکز برازش هر جزء طیفی ارجاع می‌شود و سیگنال‌ها نرمال می‌شوند. اسکن‌های جذب خوب جداگانه در سراسر QU، که با دامنه مدولاسیون کاهش یافته انجام می‌شوند، هیچ ویژگی باریک قابل تکراری را در مقیاس‌های فرکانس تقریبا 500 هرتز یا بیشتر نشان نمی‌دهند.

f، واپاشی فلورسانس هسته ای حل شده با زمان در TS1 به دنبال تحریک VUV در QU اندازه گیری شد، که با واپاشی تک نمایی نصب شده است. g، کریستال S1. h، کریستال TS1. i، j، کسر تحریک حالت پایدار وابسته به عمق محاسبه شده، ps (z)، برای تحریک تشدید کننده از طریق خط b (آبی)، QU (خاکستری) و خط c (نارنجی) در S1 (i) و TS1 (j). در اینجا z از سطح ورودی VUV اندازه گیری می شود.

این محاسبه از نقاط قوت خط انتقال، پهنای خط مجموعه اندازه‌گیری شده و طول عمر هسته، همراه با شار فوتون محلی VUV پس از محاسبه بازتاب سطحی و افت انتشار خارج از تشدید از طریق کریستال استفاده می‌کند (روش‌ها). a.u.، واحدهای دلخواه

برای رسیدگی به این محدودیت ها و آزمایش تکرارپذیری فرکانس انتقال ساعت در کریستال ها، TS1 با استفاده از تکنیک گرادیان دما 22 از طریق همکاری بین موسسه سرامیک شانگهای آکادمی علوم چین و دانشگاه Tsinghua ساخته شده است. این روش از یک گرادیان درجه حرارت عمودی، مانند رشد بریجمن-استاکبارگر استفاده می کند، اما بوته را ثابت نگه می دارد.

تبلور با کاهش تدریجی دمای بخاری گرافیت، به جای ترجمه بوته، با نرخ خنک کننده 2 درجه سانتی گراد در ساعت و فشار زیر 1 × 10-3 Pa هدایت می شود.

با استفاده از این رویکرد، ما TS1 را از محلول رشد حاوی تنها 1.4 میکروگرم (10 kBq) 229 Th می‌سازیم. مقدار کم ایزوتوپ، دیکته شده توسط کمبود شدید 229 Th، اساسا جایی برای بهینه‌سازی رشد تکراری باقی نمی‌گذارد. کریستال TS1 بدون حباب به دست آمده دارای قطر 1.09 میلی متر، طول 4.94 میلی متر، میانگین غلظت 229 Th 2.2 × 10 17 cm-3 و انتقال VUV 7٪ است.

ما طیف‌سنجی فلورسانس موج پیوسته را روی S1 و TS1 انجام می‌دهیم. در هر نقطه فرکانس، کریستال با لیزر VUV به مدت 400 ثانیه روشن می شود که در طی آن توان VUV ارسالی به طور همزمان توسط لوله نوری کنترل می شود. سپس فلورسانس هسته‌ای 148 نانومتری با لوله فتو ضرب‌کننده (PMT) به مدت 200 ثانیه ثبت می‌شود. تجزیه و تحلیل سیگنال فلورسانس برای تغییرات در قدرت تحریک و جمعیت باقیمانده از اندازه‌گیری‌های قبلی به دلیل طول عمر حالت برانگیخته هسته‌ای و مدت چرخه اندازه‌گیری قابل مقایسه است (روش‌ها).

هر دو کریستال ساختار QU گسترده ای را نشان می دهند که با یک گرادیان میدان الکتریکی موثر کوچک 36 سازگار است، همراه با یک منیفولد QR که در آن انتقال هسته ای به پنج جزء باریک تقسیم می شود 16، 36 (شکل 1d). طیف نشان داده شده در شکل 2a,b در TS1 ثبت شده است.

در منیفولد QR، mg = ± 5/2 → m = 3/2 ± و m g = ± 1/2 → m = 1/2 ± است، خطوط b و c به ترتیب، به ترتیب زیر برچسب گذاری شده اند. 16 . در TS1، خطوط b و c به‌ترتیب دارای عرض کامل در مقادیر نیمه حداکثر (FWHM) 27(1) کیلوهرتز و 39(2) کیلوهرتز هستند که با آنچه قبلا برای کریستال‌های با غلظت پایین 229 Th گزارش شده بود 17 مطابقت دارد (شکل 2b؛ روش‌ها). برای ساختار QU، پهنای خط نصب شده 0.898 (5) مگاهرتز است.

به دنبال تحریک تشدید QU، ما فروپاشی فلورسانس بعدی را ثبت می کنیم و طول عمر حالت برانگیخته 631(2) ثانیه را از یک برازش تک نمایی بدست می آوریم (شکل 2f).

برای به دست آوردن یک بازخوانی سریع طیف‌سنجی از تحریک هسته‌ای طولانی‌مدت، توان VUV منتقل شده از طریق کریستال را کنترل می‌کنیم و پاسخ هسته‌ای را در جذب اندازه‌گیری می‌کنیم. از آنجایی که جذب کسری رزونانس نور VUV کوچک است (تقریبا 10-4)، ما فرکانس VUV را به صورت سینوسی تعدیل می‌کنیم و سیگنال VUV ارسال شده را برای استخراج پاسخ ناشی از جذب تغییر می‌دهیم. عادی سازی سیگنال دمودوله شده به انتقال جریان مستقیم ثبت شده به طور همزمان سیگنالی شبیه پراکندگی تولید می کند (شکل 2).

1e) که به عنوان تمایز فرکانس برای عملکرد ساعت استفاده می شود. تطبیق شکل خط کامل مدوله‌شده با فرکانس، پهنای خط انتقال هسته‌ای زیربنایی و جذب کسری رزونانس آن نور VUV را به دست می‌دهد (روش‌ها).

ما عملکرد بازخوانی جذب را با SNR جذب 1 ثانیه مشخص می‌کنیم، که به عنوان اوج سیگنال جذب نرمال‌شده دمودوله شده نسبت به نویز پایه پیش‌بینی‌شده برای زمان اندازه‌گیری 1 ثانیه تعریف می‌شود (روش‌ها). در محدوده فوتون شات نویز، SNR جذب 1 ثانیه به صورت \({{\rm{S}}{\rm{N}}{\rm{R}}}_{1{\rm{s}}}\propto A{[{\mathop{N}\limits^{.}}_{e})\cdot (1}/\rm) مقیاس می‌شود. جذب کسری VUV رزونانسی و \({\mathop{N}\limits^{.}}_{e}\) نرخ فوتوالکترون شناسایی شده است (روش‌ها).

این مقیاس‌بندی بهینه‌سازی پی در پی طرح تشخیص نور و خواص کریستالی را که در زیر توضیح داده شده است، تحریک می‌کند.

ما ابتدا طیف‌سنجی جذبی را روی S1 با استفاده از یک PMT که در حالت جریان آنالوگ کار می‌کند، انجام می‌دهیم (شکل 2c). خطوط b و c، همراه با QU، پس از زمان اندازه گیری به اندازه کافی طولانی حل می شوند. اگرچه ضرب داینود بهره کافی برای تشخیص سیگنال جذب ضعیف را فراهم می کند، اشباع PMT توان VUV را که به آشکارساز می رسد به حدود 3 نانو وات محدود می کند. نرخ فوتوالکترون شناسایی شده پایین منجر به نویز نسبی شات فوتون می‌شود و SNR جذب 1 ثانیه را محدود می‌کند.

ما در مرحله بعدی PMT را با یک لوله نوری که در حالت جریان عکس مستقیم کار می‌کند، جایگزین می‌کنیم که توان VUV قابل‌توجهی بدون اشباع را در خود جای می‌دهد. جریان نوری با یک تقویت‌کننده عبوری کم‌نویز تقویت می‌شود و نرخ فوتوالکترون شناسایی شده بالاتر را بدون جریمه نویز الکترونیکی قابل توجهی امکان‌پذیر می‌سازد. با S1 بدون تغییر، این ارتقاء آشکارساز SNR جذب 1-s را بهبود می بخشد (شکل 2d).

در مرحله سوم، phototube را حفظ کرده و S1 را با TS1 جایگزین می کنیم. انتقال VUV بالاتر TS1، پس از تصحیح بازده کوانتومی آشکارساز، توان VUV ارسالی را به حدود 200 نانووات و نرخ فوتوالکترون شناسایی شده را تقریبا 30 برابر نسبت به پیکربندی S1 + PMT افزایش می‌دهد. همراه با جذب کسری خط b اندازه گیری شده تقریبا سه برابر بزرگتر در TS1، این SNR جذب خط b 1 را به تقریبا 20 برابر افزایش می دهد که با پیکربندی S1 + PMT به دست می آید (شکل 2e).

افزایش SNR جذب 1 ثانیه در سه پیکربندی اجازه می دهد تا لیزر جداسازی از رزونانس هسته ای با دقت بیشتری تعیین شود. ما در مرحله بعد از سیگنال جذب دمودوله شده نرمال شده در هر پیکربندی برای عملیات ساعت هسته ای استفاده می کنیم و بهبود مربوطه را در ناپایداری فرکانس کسری مشاهده می کنیم.

ما ساعت هسته ای را با قفل کردن لیزر VUV 148.4 نانومتری شانه ای به خط b، که پهنای خط باریک را با حساسیت دمایی ضعیف ترکیب می کند، کار می کنیم. در هر چرخه بازجویی، سیگنال جذب دمودوله شده نرمال شده با استفاده از شیب تفکیک کننده کالیبره شده به یک تنظیم بازمانده تبدیل می شود. این جداسازی از طریق یک مدولاتور آکوستو-اپتیک (AOM) در زنجیره نوری ارجاع شده به شانه (شکل 1c) برای به روز رسانی فرکانس بازجویی VUV برای چرخه بعدی بازگردانده می شود.

رکورد فرکانس چرخه به چرخه VUV حاصل برای محاسبه ناپایداری فرکانس کسری درون حلقه نشان داده شده در شکل 3 استفاده می شود. بین بازجویی‌های هسته‌ای، لیزر VUV پایداری مرجع نوری تثبیت‌شده با حفره برودتی-سیلیکونی را از طریق زنجیره نوری مرجع به شانه به ارث می‌برد. ناپایداری کسری مشخص شده مستقل این مرجع در 1000 ثانیه زیر 10-15 باقی می ماند، بسیار پایین تر از بی ثباتی ساعت هسته ای اندازه گیری شده در زمان های میانگین قابل مقایسه 47.

این از استفاده از رکورد درون حلقه به عنوان یک تخمین وفادار از ناپایداری ساعت هسته ای عامل پشتیبانی می کند.

انحرافات Allan همپوشانی برای چهار پیکربندی اندازه گیری شد: S1 + PMT، S1 + phototube، TS1 + phototube و TS1 + phototube بهینه شده. خطوط چین دار، وزنی τ 1/2 متناسب است. نوارهای خطا، 68.3% فواصل اطمینان محاسبه شده از درجات آزادی معادل برآوردگر انحراف آلان تحت مدل فرکانس سفید- نویز فرضی. فرکانس های مدولاسیون، دامنه های مدولاسیون، ثابت های زمانی قفل، زمان های اندازه گیری و مدت زمان چرخه بازخورد مورد استفاده برای چهار اندازه گیری ناپایداری در جدول داده های توسعه یافته 1 خلاصه شده است.