張夢然 李大慶

世界首臺太空運行的冷原子鐘已在軌近兩年時間。筆者從中科院獲悉，這臺3000萬年誤差小于1秒的冷原子鐘運行正常，將目前人類在太空的時間計量精度提高了1～2個數(shù)量級。相關(guān)成果作為亮點文章于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零度附近，使原子能級躍遷頻率更少受到外界干擾，從而實現(xiàn)更高精度。在微重力環(huán)境下運行高精度原子鐘具有更重要的意義，既可對基本物理原理開展驗證實驗，也可發(fā)展更高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

2016年9月25日，天宮二號空間實驗室成功發(fā)射并順利進入運行軌道。中科院牽頭負(fù)責(zé)的載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)在天宮二號上開展了14項空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，其中包括世界首臺太空運行的冷原子鐘。

在軌22個月，冷原子鐘運行正常、狀態(tài)良好、性能穩(wěn)定，完成了全部既定在軌測試任務(wù)，成功驗證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運行機制與特性，同時實現(xiàn)了天穩(wěn)定度7.2×10-16的超高精度。

中科院上海光機所經(jīng)過十余年的攻關(guān)，突破了微重力環(huán)境下運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零度，利用激光和高精度微波場對制備的冷原子進行操縱和探測，提取出銣原子高穩(wěn)定的能級躍遷頻率作為高精度原子鐘信號，在國際上首次實現(xiàn)冷原子鐘的在軌穩(wěn)定運行。

此次，中科院光學(xué)精密機械研究所研究員劉亮及其同事，報告了冷原子鐘穩(wěn)定在軌運行的證據(jù)。他們在微重力環(huán)境下囚禁并冷卻銣原子，使用微波和激光脈沖探測它們。團隊在微波與原子相互作用后檢測原子在能級上的布居數(shù)，發(fā)現(xiàn)在軌時鐘的穩(wěn)定性為十萬億分之三。

報告稱，高性能冷原子鐘完成全部在軌測試任務(wù)，成功驗證了在微重力環(huán)境下的特性與機制，實現(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。

據(jù)了解，這種能在空間環(huán)境下可靠運行的高精度原子鐘應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會提高導(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領(lǐng)域。

德國杜塞爾多夫大學(xué)原子物理學(xué)家斯蒂芬·席勒等國際同行高度評價了這一成果，指出“隨著實驗的成功，中國在天基冷原子傳感器的研究走在了世界的最前沿”?！蹲匀弧ねㄓ崱冯s志的審稿人稱，“在過去20年有很多人努力要把冷原子鐘送到太空，但是由中國第一次展示了太空的冷原子鐘實驗……這是一項驚人的技術(shù)成就”。