1、空间冷原子钟 魏星 中国科技术语编辑部 从日晷、漏刻计时器 (水钟、沙漏等) 的出现, 到摆钟、石英晶体钟的发明, 人类对于时间的把握越来越精确。而从 1948 年第一台原子钟发明至今, 人类计时的精度更是以几乎十年一个数量级的速度提高。2016 年 9 月, 由中国科学家研制的世界上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟 (space cold atomic clock) , 随着中国的天宫二号空间实验室发射升空。空间冷原子钟这一“高冷”的术语带着国人的热情与自豪, 成为热词。空间冷原子钟的原理是将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合, 在空间轨道上获得比地面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱
2、线, 从而进一步提高原子钟精度。这是原子钟发展史上又一个重大突破, 在计量学、基础物理、守时、全球导航定位系统等方面都有非常重大的科学研究和工程应用价值。中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”搭载“天宫二号”发射升空, 将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”, 同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟。“空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微重力环境结合, 有望实现 10 量级的超高精度 (约 3000 万年误差 1 秒) , 将目前人类在太空中的时间计量精度提高 12 个数量级。空间冷原子钟专题 (中国科学院上海光学精密机械研究所官网, 2017 年 9 月) 空间冷原子钟主
3、要包括物理单元、微波单元、光学单元和控制单元四大组成部分, 每个单元都有非常高的技术指标, 其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度 (K 量级) 的超冷原子团, 然后采用移动光学黏团技术将其沿轴向抛射。在微重力环境下, 原子团可以做超慢速均速直线运动。处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔, 与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态, 经由原子双能级探测器测出处于两种量子态上的原子数比例, 获得原子跃迁几率, 改变微波频率即可获得原子钟的谱线 Ramsey 条纹。预计微重力环境下所获得的 Ramsey 中心谱线线宽可达 0.1 Hz, 比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级, 利用该谱线反馈到本地振荡器即可获得高精度的时间频率标准信号。超高精度空间冷原子钟 (中国科学院空间应用工程与技术中心官网, 2016 年 9 月 6 日) 空间冷原子钟研制和运行的成功对于基础物理学的研究及科技的应用都意义非凡, 比如:空间站内的冷原子钟对卫星上的传统热原子钟进行不受地球大气影响的校准, 以及与地面喷泉原子钟形成空-地、地-空、地-地的完整校准。由于卫星全球定位系统的核心技术就在于原子钟的精准度, 空间冷原子钟的在轨持续运行会大幅度地提高 GPS 的定位精确度。天宫二号里那块优雅的“手表”空间冷原子钟 (自然杂志, 第 39 卷, 第 1 期, 2017 年 2 月)
