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激光冷却原子钟登上天宫二号

导读: 由中科院上海光机所研制的“定时神针”——空间冷原子钟,有望实现约3000万年误差1秒的超高精度,作为国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,这将是也是目前在空间运行的最高精度原子钟。

成功发射的天宫二号搭载了多种高精尖科学装备。其中,由中科院上海光机所研制的“定时神针”——空间冷原子钟,有望实现约3000万年误差1秒的超高精度,作为国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,这将是也是目前在空间运行的最高精度原子钟。

那么,究竟空间冷原子钟与地面上的一般的冷原子钟有什么不同呢?

空间冷原子钟是在地面喷泉原子钟的基础上发展而来。喷泉原子钟利用激光冷却技术把室温下自由运动的热原子囚禁到激光势阱中并冷却到接近绝对零度,然后把冷却后的原子自由上抛让原子在上抛与下落的过程中与微波腔中的射频时钟信号相互作用,从而检测时钟信号与原子两个特定能级间频率差,进而修正时钟信号误差,由于受到重力的作用,自由运动的冷原子团始终处于变速状态,宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动,这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。

在空间微重力环境下,原子团可以做超慢速匀速直线运动,基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息,从而可以获得更高精度的原子钟信号。可以预期,空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。

空间冷原子钟工作原理图

空间冷原子钟

由于空间冷原子钟可以在太空中对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,从而避免大气和电离层多变状态的影响,使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

空间冷原子钟的成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础,并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。

空间冷原子钟的典型应用

空间冷原子钟研究团队30多人中大多为年轻人,平均年龄不到30岁,其中副主任设计师吕德胜研究员为2012年青促会会员,可靠性主管设计师汪斌副研究员为2017年青促会会员。

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