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刚刚,“上海制造”获世界点赞!天宫二号冷原子钟实现预定科学目标,中国抢占国际空间时频战略制高点

2018年07月25日 10:06 来源:新民科学咖啡馆


空间冷原子钟功能结构与工作原理

空间冷原子钟功能结构与工作原理

“过去20年里,有很多人努力要把冷原子钟送到空间,但最终,是由中国第一次展示了空间冷原子钟的实验!”随天宫二号空间实验室成功发射升空、顺利进入轨道并有条不紊在轨运行近两年的空间冷原子钟,实现了全部预定科学目标,今天又一次吸引了全世界的目光:作为亮点文章(Highlighting)在线发表于国际重要学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上,国际同行不吝为来自中国上海的世界首台太空运行的冷原子钟点赞!人类时钟的精度从此上了一个新的台阶! 

 

这无疑是基于冷原子的空间量子传感器领域发展的一个重要里程碑,将目前人类在太空的时间计量精度提高1-2个数量级。2016年9月25日,天宫二号空间实验室成功发射并入轨,由中国科学院牵头负责的载人航天工程空间应用系统在天宫二号上开展了14项体现国际科学前沿和高技术发展方向的空间科学与应用任务,其中便包括世界首台太空运行的冷原子钟。在轨近两年时间里,冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定,完成了全部既定在轨测试任务,成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性,同时实现了天稳7.2×10-16的超高精度,为空间超高精度时间频率基准的重大需求以及未来空间基础物理前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

 

科普一下,所谓“原子钟”,是人类目前最精准的计时工具,通过测量原子特性的方式来计时,计时精度较普通石英钟表高5个数量级以上;而“冷原子钟”更是原子钟中的精度翘楚,这类高精度时钟把原子某两个能级之间的跃迁信号作为参考频率输出信号,利用激光,冷原子钟能把原子温度降至绝对零度附近,将原子能级跃迁频率受到的外界干扰减至更小,从而实现更高精度。

 

“空间冷原子钟”,顾名思义,就是在空间轨道环境下运行的冷原子钟。到了太空的微重力环境,高精度原子钟的运行更有一番重要意义,它不仅可以对基本物理原理开展验证实验,也可发展更高精度的导航定位系统。但是,在太空稳定运行一台精密的空间冷原子钟,是非常困难的。要知道,空间环境错综复杂,存在地球辐射带等诸多干扰,长期自主运行空间冷原子钟是一项极具挑战性的任务。

 

空间冷原子钟外形.
空间冷原子钟外形.

 

在载人航天工程总体领导下,在空间科学与应用总体部(中国科学院空间应用工程与技术中心)支持下,中国科学院上海光机所承担了天宫二号空间冷原子钟载荷分系统的研制工作,经过十余年的攻关,突破了微重力环境下运行的冷原子钟物理系统、长期自主运行的冷原子制备与操控激光光学系统、铷原子钟超低噪声微波频率源等一系列关键技术。在空间微重力环境中,科学家们利用激光把铷原子温度降低到接近绝对零度,并利用激光和高精度微波场,在将外界干扰减至最小的条件下对制备的冷原子进行操纵和探测,从而提取出铷原子高稳定的能级跃迁频率作为高精度原子钟信号。这是国际上首次实现冷原子钟的在轨稳定运行。

 

这种能在空间环境下可靠运行的高精度原子钟,应用于导航定位系统将会提升系统自主运行能力、提高导航定位精度。而在基础物理研究方面,空间冷原子钟对推进基本物理常数测量、广义相对论验证等精密测物理的发展具有重要意义。此外,空间冷原子钟相关技术还可应用于空间量子传感器等多个领域。

 

空间冷原子钟太空运行概览图
空间冷原子钟太空运行概览图

 

国际同行纷纷高度评价了这一成果:“这是一项惊人的技术成就”;“该工作是空间冷原子实验研究的一个重要的里程碑”;“在太空中进行冷原子实验是当前最有吸引力的前沿方向,利用该项技术使原子钟等相关应用水平得到很大提高,正是由于中国的重要贡献,完成了世界上第一个这样的实验……”;“随着实验的成功,中国在天基冷原子传感器的研究走在了世界的最前沿”。

 

文 / 新民晚报记者 董纯蕾

图 / 中国科学院

 

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