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中国光钟已达世界一流水平

导读: 近日,中国科学院武汉物理与数学研究所高克林研究员领导的研究组,成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”,从此中国跻身于国际上少数几个拥有光钟的国家。

  近日,中国科学院武汉物理与数学研究所高克林研究员领导的研究组,成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”,从此中国跻身于国际上少数几个拥有光钟的国家。笔者就光钟的相关问题对中国计量科学研究院李天初院士进行了专访。

  进入21世纪,科学家认识到“光钟”不仅具有比微波钟更好的极限准确度潜力,而且国外做的比较好的光钟的准确度已经超过了最好的微波钟。早在2001年末,美国《科学》杂志在预测值得关注的6大热门科技领域时评述道,“由于光钟工作在更高频的光波而非较低频率的微波辐射,因此光钟比此前的仪器更精确”。近些年光钟更是成为国际时间频率研究的一个新热点。那么,国内外计量界专家为何对这项技术如此津津乐道呢?

  依靠特异性能 满足多样需求

  钟表里“嘀嗒”一声,我们称之为一秒,现行的时间单位“秒”是以铯原子在微波波段上的跃迁为基础定义的。中国计量院先后研制的两型铯原子喷泉钟是中国复现秒定义的基准装置。而“光钟”工作在光学波段,利用冷原子或离子提供频率参考,将激光频率锁定到原子或离子的振荡频率;然后利用获得诺贝尔奖的飞秒光学频率梳技术(光梳),将光钟的频率或者转换到微波波段进行溯源、计数和应用,或者转换到其他光学波段来比对和应用。李天初这样解释“光梳”对于光钟的作用:“光梳相当于机械摆钟中的齿轮,是光钟的“减速器”,将一个高的光学频率下转换成较低的微波频率,从而实现光波和微波的衔接。”可以说“光梳”技术为光钟的真正应用准备了条件。

中国科学院国家授时中心锶原子光钟实验室

中国科学院国家授时中心锶原子光钟实验室

  光钟缘何成为国内外计量专家舌尖上的话题?首先得益于光钟精准的计时,这一突出的优势使得光钟有可能成为下一代频率基准。我国首台“光钟”研制人员高克林说:“由于光学频率比微波频率高出4到5个数量级,因此在相同其他条件下,光钟的稳定度将优于微波钟100到1000倍。通俗地讲就是用它计时精度更高。”除了时间频率计量外,光钟在科学研究方面具有巨大的潜力。李天初介绍说:“光钟在物理学和天文学领域都有重要的应用,物理学家和天文学家可能开展相对论验证、引力红移试验、基本物理常数是否随时间变化、深空探测、引力波测量等一系列重大前沿科学研究。”李院士还形象地讲述了3年前美国标准技术院(NIST)所进行的重力频移实验,由于地球的引力场在竖直方向是有梯度的,正是将整个光钟抬高33厘米,来验证在不同的重力下,频率是否变化。

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