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超高精度空間冷原子鐘簡介

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發表時間:2016-09-05 10:53作者:原子鐘廠家來源:西安同步原創

在人類文明進步和科學技術發展的歷史長河中,人類活動所帶來的社會需求與時間測量的精度是密不可分的。很久很久以前,我們的祖先記錄時間是利用天體的周期性運動。他們日出而作,日落而息,通過觀察自然現象,例如太陽和月亮相對自己的位置等來模糊的定義時間,這樣的時間被稱為自然鐘。

原子鐘

后來,人們逐漸發明了如日晷、水鐘、沙漏等計時裝置,能夠指示時間按等量間隔流逝,這也標志著人造時鐘開始出現。

而當鐘擺等可長時間反復周期運動的振蕩器出現后,人們把任何能產生確定的振蕩頻率的裝置,稱為時間頻率標準,并以此為基礎發明了真正可持續運轉的時鐘。

從14世紀到19世紀中葉的500年間,人們首先采用古老的擺輪鐘代替了自然鐘,(精度約為10^-2量級,誤差約為1刻鐘/天),然后在鐘擺裝置的基礎上逐漸發展出日益精密的機械鐘表,使機械鐘的計時精度達到基本滿足人們日常計時需要的水平(精度最高達到10^-8量級,誤差約為1秒/年)。

從20世紀30年代開始,隨著晶體振蕩器的發明,小型化、低能耗的石英晶體鐘表代替了機械鐘,廣泛應用在電子計時器和其它各種計時領域,一直到現在,成為人們日常生活中所使用的主要計時裝置。

20世紀40年代開始,現代科學技術特別是原子物理學和射電微波技術蓬勃發展,科學家們利用原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率這一特點,發展出比晶體鐘更高精度的原子鐘。

1967年第13屆國際計量大會將時間“秒”進行了重新定義:“1秒為銫原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期所持續的時間”。

自從有了原子鐘,人類計時的精度以幾乎每十年提高一個數量級的速度飛速發展,20世紀末達到了10^-14量級,即誤差約為1秒/300萬年,在此基礎上建立的全球定位導航系統(例如美國GPS),覆蓋了整個地球98%的表面,將原子鐘的信號廣泛的應用到了人類活動的各個領域。

隨著激光冷卻原子技術的發展,利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高,到目前為止,地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘誤差已經減小到1秒/3億年,更高精度的冷原子光鐘也在飛速發展中。

總而言之,“時間”成為現代科學技術中測量準確度最高的基本物理量,通過各種物理轉化,可以提高長度、磁場、電場、溫度等其它基本物理量的測量精度,是現代物理計量的基礎。

激光冷卻+空間微重力:讓原子鐘向更高精度進發

近年來,科學家們將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合,有望在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個數量級的原子鐘譜線,從而進一步提高原子鐘精度,這將是原子鐘發展史上又一個重大突破。

由于高精度空間原子鐘在計量學、守時、全球導航定位系統、基礎物理等方面都有非常重大的科學研究和工程應用價值,國際上爭相開展空間高精度原子鐘的研究計劃,其中最主要的是歐洲空間局ESA支持的ACES計劃,預計將于2017年發射運行。

我國在原子鐘研究方面都做了哪些工作呢?

說到這個,就不得不提到中國科學院上海光機所的王育竹院士及其科研團隊,他們從上世紀六十年代就開始了原子鐘方面的研究。

在1971~1979年間,他們承擔了“遠望”號測量船上銣原子鐘的研制任務,成功研制出中國第一臺銣原子鐘,為國家導彈發射、遠距離測量、通信等領域做出過重要貢獻,獲得了全國科技大會“重大科技成果獎”和國家科技進步特等獎。

70年代末,國際上激光冷卻氣體原子的概念剛剛提出時,王育竹院士立刻認識到冷原子對原子鐘的研究將產生革命性的影響,于是他率領團隊著手開展了激光冷卻原子技術的研究。

進入21世紀后,隨著實驗室激光冷卻技術的發展,王育竹院士開始逐步推進小型化冷原子銣鐘和空間冷原子鐘的可行性研究。

2007年,在王育竹院士的指導下,劉亮研究員領導的空間冷原子鐘團隊成立,并于2010年完成了空間冷原子鐘原理樣機的研制和地面科學試驗論證。

2011年,空間冷原子鐘實驗CACES(Cold Atom Clock Experiment in Space )計劃正式進入工程樣機的設計與研制階段。

到2016年,經過科學家們近10年的艱苦努力,中國第一臺空間冷原子鐘正樣產品研制成功,并且它在光、機、電、熱、軟件等方面通過了中國載人航天工程各類環模測試的檢驗,達到了滿足火箭發射和空間在軌正常運行的要求,據悉,在即將發射的天宮二號載人航天飛行器上,就會搭載上海光機所研制的空間冷原子鐘,這將成為國際上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

據科學家們介紹,空間冷原子鐘是在地面噴泉原子鐘的基礎上發展而來。

在地面上,由于受到重力的作用,自由運動的原子團始終處于變速狀態,宏觀上只能做類似噴泉的運動或者是拋物線運動,這使得基于原子量子態精密測量的原子鐘在時間和空間兩個維度受到一定的限制。

在空間微重力環境下,原子團又可以做超慢速勻速直線運動,基于對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息,從而可以獲得更高精度的原子鐘信號??梢灶A期,空間冷原子鐘將成為目前空間最高精度的原子鐘。

讓“冷鐘”上天:這一切如何實現

空間冷原子鐘主要包括物理單元、微波單元、光學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指標,其工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術獲得接近絕對零度(μK量級)的超冷原子團,然后采用移動光學黏團技術將其沿軸向拋射。

在微重力環境下,原子團可以做超慢速均速直線運動。處于純量子基態上的原子經過環形微波腔,與分離微波場兩次相互作用后產生量子疊加態,經由原子雙能級探測器測出處于兩種量子態上的原子數比例,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。預計微重力環境下所獲得的Ramsey中心譜線線寬可達0.1 Hz,比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個數量級,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準信號。

由于空間冷原子鐘可以在太空中對其它衛星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準,從而避免大氣和電離層多變狀態的影響,使得基于空間冷原子鐘授時的全球衛星導航系統具有更加精確和穩定的運行能力。

空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時頻系統、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術基礎,并且在全球衛星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。

人類的活動范圍沒有極限,對時間測量標準的要求也就沒有極限。