天宮二號(hào)傳捷報(bào)：冷原子鐘實(shí)現(xiàn)預(yù)定科學(xué)目標(biāo)

張夢(mèng)然 李大慶

世界首臺(tái)太空運(yùn)行的冷原子鐘已在軌近兩年時(shí)間。筆者從中科院獲悉，這臺(tái)3000萬(wàn)年誤差小于1秒的冷原子鐘運(yùn)行正常，將目前人類在太空的時(shí)間計(jì)量精度提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)成果作為亮點(diǎn)文章于7月24日在線發(fā)表在《自然·通訊》上。

冷原子鐘是利用激光使原子溫度降至絕對(duì)零度附近，使原子能級(jí)躍遷頻率更少受到外界干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高精度。在微重力環(huán)境下運(yùn)行高精度原子鐘具有更重要的意義，既可對(duì)基本物理原理開(kāi)展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，也可發(fā)展更高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

2016年9月25日，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射并順利進(jìn)入運(yùn)行軌道。中科院牽頭負(fù)責(zé)的載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)在天宮二號(hào)上開(kāi)展了14項(xiàng)空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，其中包括世界首臺(tái)太空運(yùn)行的冷原子鐘。

在軌22個(gè)月，冷原子鐘運(yùn)行正常、狀態(tài)良好、性能穩(wěn)定，完成了全部既定在軌測(cè)試任務(wù)，成功驗(yàn)證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運(yùn)行機(jī)制與特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天穩(wěn)定度7.2×10-16的超高精度。

中科院上海光機(jī)所經(jīng)過(guò)十余年的攻關(guān)，突破了微重力環(huán)境下運(yùn)行的冷原子鐘物理系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。在空間微重力環(huán)境下利用激光把銣原子溫度降低到接近絕對(duì)零度，利用激光和高精度微波場(chǎng)對(duì)制備的冷原子進(jìn)行操縱和探測(cè)，提取出銣原子高穩(wěn)定的能級(jí)躍遷頻率作為高精度原子鐘信號(hào)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)冷原子鐘的在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

此次，中科院光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員劉亮及其同事，報(bào)告了冷原子鐘穩(wěn)定在軌運(yùn)行的證據(jù)。他們?cè)谖⒅亓Νh(huán)境下囚禁并冷卻銣原子，使用微波和激光脈沖探測(cè)它們。團(tuán)隊(duì)在微波與原子相互作用后檢測(cè)原子在能級(jí)上的布居數(shù)，發(fā)現(xiàn)在軌時(shí)鐘的穩(wěn)定性為十萬(wàn)億分之三。

報(bào)告稱，高性能冷原子鐘完成全部在軌測(cè)試任務(wù)，成功驗(yàn)證了在微重力環(huán)境下的特性與機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了天穩(wěn)定度7.2×10-16的超高精度。而目前應(yīng)用的都是熱原子鐘，最高天穩(wěn)定度在10-15量級(jí)。

據(jù)了解，這種能在空間環(huán)境下可靠運(yùn)行的高精度原子鐘應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會(huì)提高導(dǎo)航定位精度，相關(guān)技術(shù)還將應(yīng)用于空間量子傳感器等多個(gè)領(lǐng)域。

德國(guó)杜塞爾多夫大學(xué)原子物理學(xué)家斯蒂芬·席勒等國(guó)際同行高度評(píng)價(jià)了這一成果，指出“隨著實(shí)驗(yàn)的成功，中國(guó)在天基冷原子傳感器的研究走在了世界的最前沿”。《自然·通訊》雜志的審稿人稱，“在過(guò)去20年有很多人努力要把冷原子鐘送到太空，但是由中國(guó)第一次展示了太空的冷原子鐘實(shí)驗(yàn)……這是一項(xiàng)驚人的技術(shù)成就”。