把太空時間計量精度提高1-2個數量級,天宮二號空間冷原子鐘實現...

世界首臺太空運行的冷原子鐘，現在怎麼樣了？

 

解放日報·上觀新聞記者獲悉，在軌近兩年時間裡，冷原子鐘在天宮二號運行正常、狀態良好、性能穩定，完成了全部既定在軌測試任務，成功驗證了在空間環境下高性能冷原子鐘的運行機制與特性，同時實現了天穩7.2×10的負16次方超高精度。將目前人類在太空的時間計量精度提高1-2個數量級，是基於冷原子的空間量子傳感器領域發展的一個重要裡程碑，為空間超高精度時間頻率基準的重大需求以及未來空間基礎物理前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。該成果於2018年7月25日作為亮點文章在線發表在國際重要學術期刊《自然·通訊》上。

天宮二號空間冷原子鐘

 

冷原子鐘是把原子某兩個能級之間的躍遷信號作為參考頻率輸出信號的高精度時鐘，同時利用雷射使原子溫度降至絕對零度附近，使原子能級躍遷頻率受到更小的外界幹擾，從而實現更高精度。在微重力環境下運行高精度原子鐘則具有更重要意義，不僅可以對基本物理原理開展驗證實驗，也可發展更高精度的導航定位系統。

 

但在地球輻射帶幹擾以及複雜的空間環境下，穩定運行一臺精密的空間冷原子鐘具有極大挑戰。在載人航天工程總體領導下，在空間科學與應用總體部（中科院空間應用工程與技術中心）支持下，中科院上海光機所經過十餘年的攻關，突破了微重力環境下運行的冷原子鐘物理系統、長期自主運行的冷原子製備與操控雷射光學系統、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源等一系列關鍵技術。在空間微重力環境下利用雷射把銣原子溫度降低到接近絕對零度，利用雷射和高精度微波場對製備的冷原子進行操縱和探測，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，在國際上首次實現冷原子鐘的在軌穩定運行。

天宮二號空間冷原子鐘功能結構與工作原理

 

這種能在空間環境下可靠運行的高精度原子鐘應用於導航定位系統將會提升系統自主運行能力、提高導航定位精度。在基礎物理研究方面，對推進基本物理常數測量、廣義相對論驗證等精密測物理的發展具有重要意義。此外，空間冷原子鐘相關技術還將應用於空間量子傳感器等多個領域。

 

國際同行高度評價了這一成果，指出「在過去二十年有很多人努力要把冷原子鐘送到空間，但是由中國第一次展示了空間的冷原子鐘實驗」「在太空中進行冷原子實驗是當前最有吸引力的前沿方向，利用該項技術使原子鐘等相關應用的水平得到很大提高」「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」。