中科院量子光学重点实验室

“天宫二号”空间冷原子钟实验专项在轨测试取得重大进展

更新时间:2020-07-03 【打印】 【关闭

  经过近两年的测试,上海光机所研制的空间冷原子钟在“天宫二号”空间实验室完成了预定的在轨测试任务项目。该设备显示运行正常、状态良好、性能稳定。空间冷原子钟在天宫二号开展的一系列空间科学实验验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性。该研究的部分成果,将于2018724日作为重点推荐文章(Highlighting)在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。 

  原子钟是把原子某两个能级之间的跃迁信号作为参考频率输出高精度时钟信号。利用激光使原子温度降至绝对零度附近能够使原子能级跃迁频率受到更小的外界干扰,从而可以研制更高精度原子钟。在微重力下卫星平台运行高精度原子钟则具有更重要意义,可以对基本物理原理开展更高精度测试,以及发展更高精度的导航定位系统,这也是多年来国际同行努力想要实现的目标。 

  在存在地球辐射带干扰以及复杂的空间环境下,稳定运行一台复杂精密的空间冷原子钟具有很大挑战。上海光机所研究团队在量子频标以及冷原子物理多年研究积累的基础上,提出了空间冷原子钟的总体技术路线。经过十多年的不懈努力,攻克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。在空间微重力环境下利用激光把铷原子温度降低到绝对零度附近,利用激光和高精度微波场对制备的冷原子进行操纵和探测,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。在国际上首次实现冷原子钟的在轨稳定运行,测试结果显示空间原子钟在轨短期稳定度达到  

  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星载钟自主运行能力、提高导航定位精度。在基础物理研究方面,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将会应用于在空间量子传感器等多个领域。 

  论文几位审稿人均高度评价了这一成果,指出“在过去二十年有很多人努力要把冷原子钟送到空间,该论文第一次展示了空间的冷原子钟的实验……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”;“将冷原子实验装置放入太空在当前具有很大吸引力,利用该项技术使原子钟等相关应用得到很大提高,作为世界上第一个这样的实验,中国的努力是重要的……” 

  该项研究得到了载人航天工程、中科院创新工程重点方向性项目等专项的支持。 (供稿:中科院量子光学重点实验室)