天宮二號里那塊優(yōu)雅的“手表”
——空間冷原子鐘

喬勇軍，劉伍明

①山西省呂梁市離石區(qū)高級職業(yè)中學(xué)，山西 033000；②中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

天宮二號里那塊優(yōu)雅的“手表”
——空間冷原子鐘

喬勇軍①，劉伍明②?

①山西省呂梁市離石區(qū)高級職業(yè)中學(xué)，山西 033000；②中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

天宮二號帶著一款別致的“手表”——空間冷原子鐘正在繞著地球翱翔。它仰望深空，俯視大地，探索浩淼宇宙遵循的黃金規(guī)則，細(xì)致描繪地球母親的每一寸土地。這是人類史上首臺在空間實驗室開展科學(xué)研究的空間冷原子鐘，它的精準(zhǔn)度也是史無前例的，為3 000萬年誤差不超過1 s。這臺原子鐘是中國科學(xué)家們歷經(jīng)十?dāng)?shù)年孕育和撫養(yǎng)成才的，它承載著中國在空間定位、深空探測，以及廣義相對論的驗證等方面的研究使命。

激光冷卻； 原子噴泉鐘； 空間冷原子鐘； Ramsey作用

中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中對時間有模糊的定義：“五日謂之侯，三侯謂之氣，六氣謂之時，四時謂之歲?！?《傷寒雜病論?素問?六節(jié)藏象論》)另外，古印度的《倡只律》也有對時間的描述：一剎那即為一念，二十念為一瞬。二十瞬為一彈指，二十彈指為一羅預(yù)。二十羅預(yù)為一須臾，一日一晝?yōu)槿汈?。這樣的時間定義總讓人感覺不知所措，因為我們無法確定此時是何時。歷史的車輪總是不停地向前滾動，人類的時間觀念也日益求精。古巴比倫人發(fā)明了日晷、漏刻計時器(水鐘、沙漏等)，它們的出現(xiàn)讓人類可以日夜守時。擺的等時性原理的發(fā)現(xiàn)促成了擺鐘的發(fā)明，晶體振蕩器的發(fā)明使得石英晶體鐘表成了機(jī)械鐘的可靠替代品。20世紀(jì)初建立和發(fā)展起來的量子力學(xué)促使人們研制出了精度可達(dá)10-16量級的原子鐘[1-3]。原子鐘的出現(xiàn)點燃了科學(xué)家們的熱情，從1948年第一臺原子鐘發(fā)明[4]至今，人類計時的精度幾乎以十年一個數(shù)量級的速度提高，天宮二號中的這臺空間冷原子鐘的精度已達(dá)到10-16量級。激光技術(shù)的興盛催促著科學(xué)家們繼續(xù)上路——研制50億年誤差1秒的光鐘[5](預(yù)期的精度為10-17到10-18量級)。這個目標(biāo)對于誕生只有約46億年的地球母親而言意味著什么呢？按照現(xiàn)代的計時方式計算：一須臾為48 min，一羅預(yù)為114 s，一彈指為7.2 s，一瞬為0.36 s，一剎那為0.018 s。 那么1 s有多長呢？1976年在CGPM的第13屆會議上，給出了時間單位“秒”的新定義：“一秒是133Cs原子基態(tài)超精細(xì)能級躍遷周期的9 192 631 770倍?！边@又是什么意思呢？圖1和圖2所示的分別是人類計時器的發(fā)展歷程及對應(yīng)精度。

執(zhí)著的靈魂從不寂寞，歷史的車輪也從不吝惜那鐫刻的深深印跡。對物理學(xué)的熱愛和對微觀世界的好奇催生了量子力學(xué)這門艱深的學(xué)科，它表明原子核外電子確定能級之間的躍遷對應(yīng)著恒定的輻射頻率。根據(jù)微觀粒子的不確定性原理和能量量子化理論，19世紀(jì)70年代麥克斯韋和開爾文提出能級躍遷對應(yīng)的恒定輻射頻率可以作為時間頻率基準(zhǔn)。然而，使這一思想真正從理論走向?qū)嵺`的是20世紀(jì)30年代Rabi和他的學(xué)生們在哥倫比亞大學(xué)實驗室的工作，他們采用一種磁共振的技術(shù)獲得了原子的自然共振頻率，這是人類在研制原子鐘方面蹣跚邁出的第一步。

圖1 人類計時工具的演變(劉琪 制圖)

1 原子鐘的基本原理

理論是實踐的先決條件。原子鐘作為一種高精度時鐘，它是如何實現(xiàn)計時的呢？其原理如圖3所示。振蕩器發(fā)出微波或光信號，利用精密度極高且可調(diào)的乘法器(微波/光頻鏈路)與原子介質(zhì)發(fā)生作用，然后通過探測原子介質(zhì)躍遷后的能態(tài)變化以鎖定振蕩器，從而使振蕩器輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。這便是原子鐘最基本的部分——原子頻標(biāo)。原子頻標(biāo)與頻率計數(shù)和積分等計時器功能鎖定在一起就構(gòu)造成真正實用的原子鐘。它的原理可以形象地用圖4來描述。假設(shè)原子鑒頻的兩個能態(tài)用圖中招財貓的向上和向下來比擬，輸入與鑒頻能級共振的電磁波(圖中紅色電磁波)時原子就會發(fā)生躍遷，而輸入與鑒頻能級離共振的電磁波(圖中藍(lán)色電磁波)時原子不與電磁波發(fā)生作用。即在共振情況下招財貓吸收電磁波因而由向上的態(tài)轉(zhuǎn)化為向下的態(tài)，在離共振的情況下不發(fā)生態(tài)的轉(zhuǎn)變。類似地，根據(jù)招財貓的末態(tài)就可以判斷出原子與電磁波的離共振情況。頻率躍遷譜線的寬度Δν決定了原子對頻率誤差的鑒別能力，而且譜線越窄原子鐘的精度越高。粗略地講，可以認(rèn)為原子鐘的精度與Δν成反比。在微波頻段，Δν與原子和微波的作用時間t成反比，因此這使得通過增加t壓窄Δν成為提高原子鐘性能指標(biāo)的有效途徑?；谏鲜鲈?，Rabi的學(xué)生Ramsey提出了分離振蕩場技術(shù)，其主要思想是讓原子束或原子團(tuán)先后兩次與微波進(jìn)行作用，從而增加二者的作用時間以提高原子鐘的精準(zhǔn)度。如圖5所示，在實驗中采用Rabi振蕩(單腔)和Ramsey作用(雙腔)所獲得的Δν的線形和線寬，后者具有明顯的優(yōu)勢。

圖2 時間測量裝置的演變圖例(梁哲凱 制圖)

圖3 原子鐘的原理圖

圖4 原子鐘的形象原理圖

圖5 Rabi振蕩(左)和Ramsey作用(右)的原理、線型和線寬

2 冷原子鐘的研究

英國NPL的Essen和Parry根據(jù)分離振蕩場技術(shù)在1955年成功研制出世界上第一臺可靠的銫原子束鐘[6]。1960年Ramsey在國際上首次成功研制了氫原子鐘[7]。然而，這兩種鐘的穩(wěn)定度和精度都不高，原因在于原子的熱運動不僅使得其與微波的作用時間短，而且導(dǎo)致了原子束或原子團(tuán)的快速擴(kuò)散，從而降低了測量精度。為了延長原子與微波的作用時間，Zacharias (Rabi的另一個學(xué)生)于1953年提出了原子噴泉方案[8-9]，這一思想后來成了現(xiàn)代的原子噴泉鐘的理論基石?？上У氖?，Zacharias親自主持操作的實驗以失敗告終。隨著激光冷卻和俘獲技術(shù)進(jìn)入科學(xué)家的視野，1991年華裔物理學(xué)家朱棣文(1997年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者)首先提出冷原子噴泉的設(shè)想，并成功地用鈉原子(23Na)實現(xiàn)了冷原子噴泉[10]，自此開啟了冷原子噴泉的研究熱潮。中國計量院(NIM)在國內(nèi)最早開展并成功研制了第一臺銫噴泉原子頻標(biāo)NIM-4#鐘，隨后又研制的NIM-5#在2014年8月加入到TAI報數(shù)系統(tǒng)[11]。那么原子的冷熱對于原子鐘的精度究竟有多大影響呢？如表1所示[12]。

從表1中可以清晰地看到原子的冷熱對于原子鐘的性能而言是一個至關(guān)重要的因素。下面具體介紹一下冷原子噴泉鐘的基本原理，如圖6所示[13]。

表1 傳統(tǒng)銫束管、噴泉鐘以及空間鐘各種參數(shù)的比較

2.1 冷原子的制備過程

首先采用3對互射的激光束將原子群困在光子場中，原子受到光壓的作用而逐漸減速最終形成球狀原子團(tuán)，其溫度在μK量級，這便是原子的激光冷卻和俘獲技術(shù)，這個原子團(tuán)被稱作“光學(xué)黏團(tuán)”。然后關(guān)閉水平方向的激光，將豎直方向上下兩束激光的頻率分別減小和增大，使其推動冷原子團(tuán)以cm/s量級的速度豎直向上移動。關(guān)于冷卻和俘獲激光的設(shè)置目前有三種方案：第一種是3對激光沿水平和豎直方向排布，這種方案的缺點是一束激光對要穿過微波腔可能造成電磁干擾，如圖6左(001)；第二種是3對激光不在水平和豎直方向，這種方案需要在冷原子被俘獲后再加上移動光學(xué)黏團(tuán)技術(shù)的支持，如圖6右(111)；第三種是中國科學(xué)家王育竹提出的積分球冷卻法[5]，其主要特點是全光性、低功耗，可以捕獲比光學(xué)黏團(tuán)更多的原子。

圖6 現(xiàn)代原子噴泉鐘的結(jié)構(gòu)示意圖 左((001)，右(111) )

2.2 冷原子的選態(tài)

在冷原子團(tuán)上升的過程中要經(jīng)過一個重要的區(qū)域——原子選態(tài)腔。目前在這方面有兩種技術(shù)：磁選態(tài)和激光抽運(圖7)[14]。前者是采用不均勻強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場，使得處于兩個基態(tài)超精細(xì)能級上的原子在反向磁場力作用下在空間上進(jìn)行分離，讓其中一個能級上的原子進(jìn)入微波作用腔。后者則是用頻率鎖定在原子的兩個基態(tài)超精細(xì)能級至某個激發(fā)態(tài)能級的激光，促使處于兩個不同能級的原子均躍遷至激發(fā)態(tài)，而后在不等幾率的自發(fā)躍遷下逐漸被抽運到其中一個能級上。很顯然激光抽運使冷原子的利用率得到大幅度的提高。

圖7 上圖：磁選態(tài)銫束管結(jié)構(gòu)示意圖；下圖：激光抽運銫束管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 冷原子與微波的Ramsey作用

當(dāng)冷原子團(tuán)經(jīng)過選態(tài)之后便要進(jìn)入噴泉鐘至關(guān)重要的環(huán)節(jié)和區(qū)域——Ramsey作用和微波腔。原子團(tuán)在微波腔中與微波發(fā)生作用，正是這種作用使得原子從“被選擇態(tài)”躍遷到另一個基態(tài)的超精細(xì)態(tài)。Zacharias的原子噴泉方案是這樣設(shè)計的：冷原子在激光驅(qū)動下第一次進(jìn)入微波腔并與之作用，同時關(guān)閉驅(qū)動激光。原子團(tuán)由于慣性繼續(xù)上行穿過微波腔，接著在重力作用下到達(dá)至高點并反向下行再次通過微波腔與之作用。這樣根據(jù)分離振蕩場理論，便可以在只設(shè)置一個微波腔的“小型化”情況下大幅度延長原子與微波的作用時間，從而提高原子鐘精度，這種冷原子噴泉鐘的精度可以達(dá)到10-16。

2.4 原子能級探測及Ramsey干涉條紋的獲取

冷原子團(tuán)在經(jīng)過微波作用之后將發(fā)生全部或部分的能級躍遷，原子團(tuán)繼續(xù)下行就到達(dá)原子能級檢測區(qū)。這種檢測可以通過不均勻磁場進(jìn)行，即在強(qiáng)的偏轉(zhuǎn)磁場作用下把沒有躍遷的原子分離掉只保留躍遷后的原子，再利用粒子計數(shù)器和頻率掃描就可以獲得原子的躍遷幾率和Ramsey條紋。當(dāng)然，也可以通過熒光進(jìn)行檢測，即利用一束激光使原子團(tuán)中的原子發(fā)生受激和自發(fā)躍遷，通過接收器接收并分析接收到的原子自發(fā)躍遷放射出的熒光強(qiáng)度就可以獲得原子躍遷幾率。這種方法一般用在激光抽運選態(tài)的原子鐘上，而磁場檢測一般用在磁選態(tài)原子鐘中。原子探測區(qū)可以在冷卻激光場下方，也可以在其上方。

3 空間冷原子鐘的研究

雖然冷原子噴泉鐘與傳統(tǒng)的原子束鐘相比其穩(wěn)定度和精度都有了很大的提高，但是在原理上，重力成就了它也極大地限制了它。原子做自由上拋和落體運動的總時間可見要使原子與微波的作用時間間隔提高一個量級，則需要設(shè)計一臺高度至少100 m的原子鐘，這在技術(shù)上是很難實現(xiàn)的。Zacharias做過類似的實驗嘗試，不同的是他用了未經(jīng)冷卻的熱原子。

為了突破重力對提高原子鐘精度的限制，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了空間微重力環(huán)境，這是空間冷原子鐘研究的原始動力。表2給出了地面實驗和微重力環(huán)境實驗的對比情況[12]?？臻g冷原子鐘是基于地面冷原子噴泉鐘發(fā)展而來的。如圖8所示：原子在被正交互射的激光冷卻俘獲之后采用移動光學(xué)黏團(tuán)(molasses)技術(shù)將其向右輕輕推出；然后通過一個微波選態(tài)腔(初態(tài)制備)使冷原子更多地聚集在基態(tài)的一個超精細(xì)能級上；接著再利用一束選態(tài)激光將處于其他精細(xì)能級的原子打掉；最后讓完全處于單量子態(tài)的原子均勻而超緩慢地進(jìn)入并通過一個環(huán)形微波腔，使之與微波發(fā)生兩次作用實現(xiàn)原子的超精細(xì)能級躍遷；在環(huán)形微波腔的右側(cè)通過雙能級探測器便可以測出處于不同量子態(tài)上的原子數(shù)，進(jìn)而算出其躍遷幾率。此外，原子鐘的鑒頻譜線Ramsey條紋的獲取是通過掃描微波頻率實現(xiàn)的?？臻g冷原子鐘與地面噴泉鐘相比精確度更高，原因是超慢速移動的冷原子團(tuán)不僅有更長的時間與微波發(fā)生作用，而且降低了微波腔的相移。

以上簡明地介紹了原子鐘在發(fā)展過程中的部分主要原理，事實上原子鐘所涉及到的各種技術(shù)很多，并且在不斷地更新和提升。

中國于1958年開始在原子鐘方面的研究，半個多世紀(jì)來已經(jīng)取得了可喜的成果。從氨分子鐘的成功到氫原子鐘、銫原子鐘和銣原子鐘的研制，各種傳統(tǒng)的熱原子鐘我們都實現(xiàn)了。CPT-Maser原子鐘[15]，芯片原子鐘[16]和光鐘等新型原子鐘的研究項目也已經(jīng)立項。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所從2000年起，就開始進(jìn)行小型化冷原子銣鐘和空間冷原子鐘實現(xiàn)方案等方面的研究[17-23]。在這里要著重強(qiáng)調(diào)說明的是他們研制的空間激光冷卻原子鐘地面原理樣機(jī)[24]——超高精度銣原子噴泉鐘(圖9)，其由物理單元、光學(xué)單元、微波單元和控制單元四個部分構(gòu)成。超高真空系統(tǒng)、激光冷卻光學(xué)平臺、高性能微波源以及微波環(huán)形腔在該原理樣機(jī)中已被研制成功并實現(xiàn)了全過程自動運行。這臺鐘是國內(nèi)地面冷原子噴泉鐘中體積小、重量輕、功耗低的典范之作，其使用的銣原子也比目前國際上僅存的歐洲空間局(ESA)支持的PHARAO[25-27]冷原子空間鐘地面樣機(jī)里的銫原子具有更多優(yōu)良的物理性能，比如超低溫下更小的碰撞頻移，選態(tài)原子數(shù)損失更少，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高等。此樣機(jī)的全功能實現(xiàn)對于天宮二號里那只別致的“手表”可以上天并開展科學(xué)實驗可謂是功不可沒。圖10為空間冷原子鐘原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

表2 地面環(huán)境和微重力環(huán)境的參數(shù)比較

圖8 空間冷原子鐘工作原理圖(劉琪 制圖)

圖9 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制空間冷原子鐘(趙侃 拍攝)

圖10 空間冷原子鐘原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 空間冷原子鐘的典型應(yīng)用(劉琪 制圖)

表3 空間鐘計劃中的原子鐘特征與比較

空間冷原子鐘研制和運行的成功對于基礎(chǔ)物理學(xué)的研究及科技的應(yīng)用都意義非凡，比如：空間站內(nèi)的冷原子鐘對衛(wèi)星上的傳統(tǒng)熱原子鐘[28]進(jìn)行不受地球大氣影響的校準(zhǔn)，以及與地面噴泉原子鐘形成空-地、地-空、地-地的完整校準(zhǔn)。由于衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的核心技術(shù)就在于原子鐘的精準(zhǔn)度，空間冷原子鐘的在軌持續(xù)運行會大幅度地提高GPS的定位精確度(圖11)。此外，在表3中給出了國際上關(guān)于空間冷原子鐘的相關(guān)計劃及應(yīng)用[13]。

最后要說的是：“高冷”的背后是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所熱血科學(xué)家的無盡求索和傾力付出以及他們對待科學(xué)的一顆赤子之心，我們要向他們致敬！

(2016年11月8日收稿)

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(編輯：溫文)

公 示

根據(jù)滬新出報[2017]2號文件要求，現(xiàn)將本刊（《自然雜志》）要通過2017年度核驗的《新聞記者證》持有人員名單予以公示，名單如下： 溫文、段艷芳。公示受理電話：021-66135618；上海市新聞出版局舉報電話：021-64339117。

A beautiful piece of “watch”in Tiangong-2: space atomic clock

QIAO Yongjun①，LIU Wuming②
①Senior Vocational School, Lüliang City, Lüliang 033000, Shanxi Province, China; ②Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

The space atomic clock, a beautiful piece of “watch” in Tiangong two, looks up at the deep space, overlooks the earth, explores the vast universe following the golden rule, and gives a detailed description of every inch of the earth mother. It is the first space atomic clock to carry out scientific research of the space laboratory in the world, its precision is also unprecedented with error less than one second in thirty million years. This atomic clock is gestated and developed by Chinese scientists taking a dozen years, which carries our positioning, deep space exploration, verification of general relativity and other research assignments.

Laser cooling, atomic fountain clock, space cold atomic clock, Ramsey effect

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.010

?通信作者，E-mail: wmliu@iphy.ac.cn