「高冷」原子鐘是怎樣煉成的

天宮二號空間冷原子鐘功能結構與工作原理。中科院空間中心供圖

　　「在過去二十年有很多人努力要把冷原子鐘送到空間，中國第一次展示了空間冷原子鐘實驗，這是一項驚人的技術成就。」

　　「在太空中進行冷原子實驗是當前最有吸引力的前沿方向，由於中國的重要貢獻，世界上第一次完成了這樣的實驗。」

　　「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。」

　　天宮二號空間實驗室中在軌運行近兩年的世界首臺空間冷原子鐘宣布實現了預定的科學目標。7月24日在線發表的《自然—通訊》雜誌以亮點文章形式在線發表了這一成果。多位國際同行專家對此成果作出上述高度評價。

　　2016年9月25日，天宮二號空間實驗室成功發射並順利進入運行軌道，由中國研發的世界首臺太空運行的冷原子鐘也終於上天。

　　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，從而實現更高的精度。

　　在微重力環境下運行高精度原子鐘的意義，可能更加重要。「空間冷原子鐘的應用潛力很大。」中國科學院上海光學精密機械研究所研究員劉亮說，「基礎研究方面，測量廣義相對論、暗物質、引力波等，都可能用到冷原子鐘；它還可以跟『北鬥』衛星上的原子鐘同步，讓我們的導航系統更穩定，導航精度更高。」

　　2007年，在空間冷原子鐘分系統首席科學家、中科院院士王育竹的指導下，劉亮所領導的空間冷原子鐘團隊成立，開啟了跨越兩代人、長達十餘年的攻關。

　　上天的項目，不論是原理、樣機，還是初樣，正樣，都有著嚴格的時間節點，更何況，他們要做的，是要將一臺3000萬年誤差不到1秒的精密儀器，放到複雜的空間環境裡穩定運行。

　　「要麼在實驗室，要麼在出差的路上。」劉亮這樣形容原子鐘的研製過程。實際上，直到正樣交付之後，劉亮才規定團隊成員，以後加班時間不能再超過晚上11點。

　　在載人航天工程總體領導下、在中科院空間應用工程與技術中心的統一組織下，天宮二號空間冷原子鐘載荷分系統——中科院上海光機所科研團隊終於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。

　　科研人員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，在國際上首次實現了冷原子鐘的在軌穩定運行。

　　在軌近兩年時間裡，冷原子鐘運行正常、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。

　　中國的空間冷原子鐘還實現了3000萬年誤差小於1秒的超高精度，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。

　　除空間冷原子鐘外，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展了14項空間科學與應用任務，涵蓋了微重力基礎物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究應用以及應用新技術試驗等八大領域。

　　相關論文信息：DOI: 10.1038/s41467-018-05219-z

　　（原載於《中國科學報》 2018-07-26 第1版 要聞)