空間冷原子鐘

從日晷、漏刻計時器（水鐘、沙漏等）的出現，到擺鐘、石英晶體鐘的發明，人類對于時間的把握越來越精確。而從1948年第一臺原子鐘發明至今，人類計時的精度更是以幾乎十年一個數量級的速度提高。2016年9月，由中國科學家研制的世界上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘（space cold atomic clock），隨著中國的天宮二號空間實驗室發射升空。空間冷原子鐘這一“高冷”的術語帶著國人的熱情與自豪，成為熱詞。空間冷原子鐘的原理是將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合，在空間軌道上獲得比地面上的線寬要窄一個數量級的原子鐘譜線，從而進一步提高原子鐘精度。這是原子鐘發展史上又一個重大突破，在計量學、基礎物理、守時、全球導航定位系統等方面都有非常重大的科學研究和工程應用價值。

● 中科院上海光機所研制的“空間冷原子鐘”搭載“天宮二號”發射升空，將成為國際上首臺在軌運行并開展科學實驗的“空間冷原子鐘”，同時也是目前在空間運行的最高精度的原子鐘。“空間冷原子鐘”將激光冷卻技術和空間微重力環境結合，有望實現10-16量級的超高精度（約3000萬年誤差1秒），將目前人類在太空中的時間計量精度提高1～2個數量級。——《空間冷原子鐘專題》（中國科學院上海光學精密機械研究所官網，2017年9月）

● 空間冷原子鐘主要包括物理單元、微波單元、光學單元和控制單元四大組成部分，每個單元都有非常高的技術指標，其工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術獲得接近絕對零度（μK量級）的超冷原子團，然后采用移動光學黏團技術將其沿軸向拋射。在微重力環境下，原子團可以做超慢速均速直線運動。處于純量子基態上的原子經過環形微波腔，與分離微波場兩次相互作用后產生量子疊加態，經由原子雙能級探測器測出處于兩種量子態上的原子數比例，獲得原子躍遷幾率，改變微波頻率即可獲得原子鐘的譜線Ramsey條紋。預計微重力環境下所獲得的Ramsey中心譜線線寬可達0.1 Hz，比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個數量級，利用該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度的時間頻率標準信號。 ——《超高精度空間冷原子鐘》（中國科學院空間應用工程與技術中心官網，2016年9月6日）

● 空間冷原子鐘研制和運行的成功對于基礎物理學的研究及科技的應用都意義非凡，比如：空間站內的冷原子鐘對衛星上的傳統熱原子鐘進行不受地球大氣影響的校準，以及與地面噴泉原子鐘形成空-地、地-空、地-地的完整校準。由于衛星全球定位系統的核心技術就在于原子鐘的精準度，空間冷原子鐘的在軌持續運行會大幅度地提高GPS的定位精確度。——《天宮二號里那塊優雅的“手表”——空間冷原子鐘》（《自然雜志》，第39卷，第1期，2017年2月）