空間冷原子鐘

從日晷、漏刻計時器（水鐘、沙漏等）的出現(xiàn)，到擺鐘、石英晶體鐘的發(fā)明，人類對于時間的把握越來越精確。而從1948年第一臺原子鐘發(fā)明至今，人類計時的精度更是以幾乎十年一個數(shù)量級的速度提高。2016年9月，由中國科學(xué)家研制的世界上第一臺在軌進(jìn)行科學(xué)實驗的空間冷原子鐘（space cold atomic clock），隨著中國的天宮二號空間實驗室發(fā)射升空。空間冷原子鐘這一“高冷”的術(shù)語帶著國人的熱情與自豪，成為熱詞。空間冷原子鐘的原理是將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合，在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個數(shù)量級的原子鐘譜線，從而進(jìn)一步提高原子鐘精度。這是原子鐘發(fā)展史上又一個重大突破，在計量學(xué)、基礎(chǔ)物理、守時、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)等方面都有非常重大的科學(xué)研究和工程應(yīng)用價值。

● 中科院上海光機(jī)所研制的“空間冷原子鐘”搭載“天宮二號”發(fā)射升空，將成為國際上首臺在軌運行并開展科學(xué)實驗的“空間冷原子鐘”，同時也是目前在空間運行的最高精度的原子鐘。“空間冷原子鐘”將激光冷卻技術(shù)和空間微重力環(huán)境結(jié)合，有望實現(xiàn)10-16量級的超高精度（約3000萬年誤差1秒），將目前人類在太空中的時間計量精度提高1～2個數(shù)量級。——《空間冷原子鐘專題》（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所官網(wǎng)，2017年9月）

● 空間冷原子鐘主要包括物理單元、微波單元、光學(xué)單元和控制單元四大組成部分，每個單元都有非常高的技術(shù)指標(biāo)，其工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術(shù)獲得接近絕對零度（μK量級）的超冷原子團(tuán)，然后采用移動光學(xué)黏團(tuán)技術(shù)將其沿軸向拋射。在微重力環(huán)境下，原子團(tuán)可以做超慢速均速直線運動。處于純量子基態(tài)上的原子經(jīng)過環(huán)形微波腔，與分離微波場兩次相互作用后產(chǎn)生量子疊加態(tài)，經(jīng)由原子雙能級探測器測出處于兩種量子態(tài)上的原子數(shù)比例，獲得原子躍遷幾率，改變微波頻率即可獲得原子鐘的譜線Ramsey條紋。預(yù)計微重力環(huán)境下所獲得的Ramsey中心譜線線寬可達(dá)0.1 Hz，比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個數(shù)量級，利用該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號。 ——《超高精度空間冷原子鐘》（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心官網(wǎng)，2016年9月6日）

● 空間冷原子鐘研制和運行的成功對于基礎(chǔ)物理學(xué)的研究及科技的應(yīng)用都意義非凡，比如：空間站內(nèi)的冷原子鐘對衛(wèi)星上的傳統(tǒng)熱原子鐘進(jìn)行不受地球大氣影響的校準(zhǔn)，以及與地面噴泉原子鐘形成空-地、地-空、地-地的完整校準(zhǔn)。由于衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的核心技術(shù)就在于原子鐘的精準(zhǔn)度，空間冷原子鐘的在軌持續(xù)運行會大幅度地提高GPS的定位精確度。——《天宮二號里那塊優(yōu)雅的“手表”——空間冷原子鐘》（《自然雜志》，第39卷，第1期，2017年2月）