冷原子鐘把太空時(shí)間計量精度提高1—2個(gè)數量級
世界首臺太空運行的冷原子鐘已在軌近兩年時(shí)間。記者從中科院獲悉，這臺3000萬(wàn)年誤差小于1秒的冷原子鐘運行正常，將目前人類(lèi)在太空的時(shí)間計量精度提高了1—2個(gè)數量級。相關(guān)成果作為亮點(diǎn)文章于7月24日在線(xiàn)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(shí)現更高精度。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(kāi)展驗證實(shí)驗，也可發(fā)展更高精度的導航定位系統。
2016年9月25日，天宮二號空間實(shí)驗室成功發(fā)射并順利進(jìn)入運行軌道。中科院牽頭負責的載人航天工程空間應用系統在天宮二號上開(kāi)展了14項空間科學(xué)與應用任務(wù)，其中包括世界首臺太空運行的冷原子鐘。
在軌22個(gè)月，冷原子鐘運行正常、狀態(tài)良好、性能穩定，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(shí)實(shí)現了天穩定度7.2×10-16的超高精度。
中科院上海光機所經(jīng)過(guò)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(chǎng)對制備的冷原子進(jìn)行操縱和探測，提取出銣原子高穩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(shí)現冷原子鐘的在軌穩定運行。
此次，中科院光學(xué)精密機械研究所研究員劉亮及其同事，報告了冷原子鐘穩定在軌運行的證據。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，發(fā)現在軌時(shí)鐘的穩定性為十萬(wàn)億分之三。
報告稱(chēng)，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(shí)現了天穩定度7.2×10-16的超高精度。而目前應用的都是熱原子鐘，最高天穩定度在10-15量級。
據了解，這種能在空間環(huán)境下可靠運行的高精度原子鐘應用于導航定位系統將會(huì )提高導航定位精度，相關(guān)技術(shù)還將應用于空間量子傳感器等多個(gè)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(jià)了這一成果，指出“隨著(zhù)實(shí)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?middot;通訊》雜志的審稿人稱(chēng)，“在過(guò)去20年有很多人努力要把冷原子鐘送到太空，但是由中國第一次展示了太空的冷原子鐘實(shí)驗……這是一項驚人的技術(shù)成就”。(張夢(mèng)然 李大慶)
