天宫二号里那块优雅的“手表”——空间冷原子钟

乔勇军，刘伍明

①山西省吕梁市离石区高级职业中学，山西 033000；②中国科学院物理研究所，北京 100190

天宫二号里那块优雅的“手表”
——空间冷原子钟

乔勇军①，刘伍明②†

①山西省吕梁市离石区高级职业中学，山西 033000；②中国科学院物理研究所，北京 100190

天宫二号带着一款别致的“手表”——空间冷原子钟正在绕着地球翱翔。它仰望深空，俯视大地，探索浩淼宇宙遵循的黄金规则，细致描绘地球母亲的每一寸土地。这是人类史上首台在空间实验室开展科学研究的空间冷原子钟，它的精准度也是史无前例的，为3 000万年误差不超过1 s。这台原子钟是中国科学家们历经十数年孕育和抚养成才的，它承载着中国在空间定位、深空探测，以及广义相对论的验证等方面的研究使命。

激光冷却； 原子喷泉钟； 空间冷原子钟； Ramsey作用

中国传统医学中对时间有模糊的定义：“五日谓之侯，三侯谓之气，六气谓之时，四时谓之岁。”(《伤寒杂病论•素问•六节藏象论》)另外，古印度的《倡只律》也有对时间的描述：一刹那即为一念，二十念为一瞬。二十瞬为一弹指，二十弹指为一罗预。二十罗预为一须臾，一日一昼为三十须臾。这样的时间定义总让人感觉不知所措，因为我们无法确定此时是何时。历史的车轮总是不停地向前滚动，人类的时间观念也日益求精。古巴比伦人发明了日晷、漏刻计时器(水钟、沙漏等)，它们的出现让人类可以日夜守时。摆的等时性原理的发现促成了摆钟的发明，晶体振荡器的发明使得石英晶体钟表成了机械钟的可靠替代品。20世纪初建立和发展起来的量子力学促使人们研制出了精度可达10-16量级的原子钟[1-3]。原子钟的出现点燃了科学家们的热情，从1948年第一台原子钟发明[4]至今，人类计时的精度几乎以十年一个数量级的速度提高，天宫二号中的这台空间冷原子钟的精度已达到10-16量级。激光技术的兴盛催促着科学家们继续上路——研制50亿年误差1秒的光钟[5](预期的精度为10-17到10-18量级)。这个目标对于诞生只有约46亿年的地球母亲而言意味着什么呢？按照现代的计时方式计算：一须臾为48 min，一罗预为114 s，一弹指为7.2 s，一瞬为0.36 s，一刹那为0.018 s。 那么1 s有多长呢？1976年在CGPM的第13届会议上，给出了时间单位“秒”的新定义：“一秒是133Cs原子基态超精细能级跃迁周期的9 192 631 770倍。”这又是什么意思呢？图1和图2所示的分别是人类计时器的发展历程及对应精度。

执着的灵魂从不寂寞，历史的车轮也从不吝惜那镌刻的深深印迹。对物理学的热爱和对微观世界的好奇催生了量子力学这门艰深的学科，它表明原子核外电子确定能级之间的跃迁对应着恒定的辐射频率。根据微观粒子的不确定性原理和能量量子化理论，19世纪70年代麦克斯韦和开尔文提出能级跃迁对应的恒定辐射频率可以作为时间频率基准。然而，使这一思想真正从理论走向实践的是20世纪30年代Rabi和他的学生们在哥伦比亚大学实验室的工作，他们采用一种磁共振的技术获得了原子的自然共振频率，这是人类在研制原子钟方面蹒跚迈出的第一步。

图1 人类计时工具的演变(刘琪 制图)

1 原子钟的基本原理

理论是实践的先决条件。原子钟作为一种高精度时钟，它是如何实现计时的呢？其原理如图3所示。振荡器发出微波或光信号，利用精密度极高且可调的乘法器(微波/光频链路)与原子介质发生作用，然后通过探测原子介质跃迁后的能态变化以锁定振荡器，从而使振荡器输出标准频率信号。这便是原子钟最基本的部分——原子频标。原子频标与频率计数和积分等计时器功能锁定在一起就构造成真正实用的原子钟。它的原理可以形象地用图4来描述。假设原子鉴频的两个能态用图中招财猫的向上和向下来比拟，输入与鉴频能级共振的电磁波(图中红色电磁波)时原子就会发生跃迁，而输入与鉴频能级离共振的电磁波(图中蓝色电磁波)时原子不与电磁波发生作用。即在共振情况下招财猫吸收电磁波因而由向上的态转化为向下的态，在离共振的情况下不发生态的转变。类似地，根据招财猫的末态就可以判断出原子与电磁波的离共振情况。频率跃迁谱线的宽度Δν决定了原子对频率误差的鉴别能力，而且谱线越窄原子钟的精度越高。粗略地讲，可以认为原子钟的精度与Δν成反比。在微波频段，Δν与原子和微波的作用时间t成反比，因此这使得通过增加t压窄Δν成为提高原子钟性能指标的有效途径。基于上述原理，Rabi的学生Ramsey提出了分离振荡场技术，其主要思想是让原子束或原子团先后两次与微波进行作用，从而增加二者的作用时间以提高原子钟的精准度。如图5所示，在实验中采用Rabi振荡(单腔)和Ramsey作用(双腔)所获得的Δν的线形和线宽，后者具有明显的优势。

图2 时间测量装置的演变图例(梁哲凯 制图)

图3 原子钟的原理图

图4 原子钟的形象原理图

图5 Rabi振荡(左)和Ramsey作用(右)的原理、线型和线宽

2 冷原子钟的研究

英国NPL的Essen和Parry根据分离振荡场技术在1955年成功研制出世界上第一台可靠的铯原子束钟[6]。1960年Ramsey在国际上首次成功研制了氢原子钟[7]。然而，这两种钟的稳定度和精度都不高，原因在于原子的热运动不仅使得其与微波的作用时间短，而且导致了原子束或原子团的快速扩散，从而降低了测量精度。为了延长原子与微波的作用时间，Zacharias (Rabi的另一个学生)于1953年提出了原子喷泉方案[8-9]，这一思想后来成了现代的原子喷泉钟的理论基石。可惜的是，Zacharias亲自主持操作的实验以失败告终。随着激光冷却和俘获技术进入科学家的视野，1991年华裔物理学家朱棣文(1997年诺贝尔物理学奖获得者)首先提出冷原子喷泉的设想，并成功地用钠原子(23Na)实现了冷原子喷泉[10]，自此开启了冷原子喷泉的研究热潮。中国计量院(NIM)在国内最早开展并成功研制了第一台铯喷泉原子频标NIM-4#钟，随后又研制的NIM-5#在2014年8月加入到TAI报数系统[11]。那么原子的冷热对于原子钟的精度究竟有多大影响呢？如表1所示[12]。

从表1中可以清晰地看到原子的冷热对于原子钟的性能而言是一个至关重要的因素。下面具体介绍一下冷原子喷泉钟的基本原理，如图6所示[13]。

表1 传统铯束管、喷泉钟以及空间钟各种参数的比较

2.1 冷原子的制备过程

首先采用3对互射的激光束将原子群困在光子场中，原子受到光压的作用而逐渐减速最终形成球状原子团，其温度在μK量级，这便是原子的激光冷却和俘获技术，这个原子团被称作“光学黏团”。然后关闭水平方向的激光，将竖直方向上下两束激光的频率分别减小和增大，使其推动冷原子团以cm/s量级的速度竖直向上移动。关于冷却和俘获激光的设置目前有三种方案：第一种是3对激光沿水平和竖直方向排布，这种方案的缺点是一束激光对要穿过微波腔可能造成电磁干扰，如图6左(001)；第二种是3对激光不在水平和竖直方向，这种方案需要在冷原子被俘获后再加上移动光学黏团技术的支持，如图6右(111)；第三种是中国科学家王育竹提出的积分球冷却法[5]，其主要特点是全光性、低功耗，可以捕获比光学黏团更多的原子。

图6 现代原子喷泉钟的结构示意图 左((001)，右(111) )

2.2 冷原子的选态

在冷原子团上升的过程中要经过一个重要的区域——原子选态腔。目前在这方面有两种技术：磁选态和激光抽运(图7)[14]。前者是采用不均匀强偏转磁场，使得处于两个基态超精细能级上的原子在反向磁场力作用下在空间上进行分离，让其中一个能级上的原子进入微波作用腔。后者则是用频率锁定在原子的两个基态超精细能级至某个激发态能级的激光，促使处于两个不同能级的原子均跃迁至激发态，而后在不等几率的自发跃迁下逐渐被抽运到其中一个能级上。很显然激光抽运使冷原子的利用率得到大幅度的提高。

图7 上图：磁选态铯束管结构示意图；下图：激光抽运铯束管结构示意图

2.3 冷原子与微波的Ramsey作用

当冷原子团经过选态之后便要进入喷泉钟至关重要的环节和区域——Ramsey作用和微波腔。原子团在微波腔中与微波发生作用，正是这种作用使得原子从“被选择态”跃迁到另一个基态的超精细态。Zacharias的原子喷泉方案是这样设计的：冷原子在激光驱动下第一次进入微波腔并与之作用，同时关闭驱动激光。原子团由于惯性继续上行穿过微波腔，接着在重力作用下到达至高点并反向下行再次通过微波腔与之作用。这样根据分离振荡场理论，便可以在只设置一个微波腔的“小型化”情况下大幅度延长原子与微波的作用时间，从而提高原子钟精度，这种冷原子喷泉钟的精度可以达到10-16。

2.4 原子能级探测及Ramsey干涉条纹的获取

冷原子团在经过微波作用之后将发生全部或部分的能级跃迁，原子团继续下行就到达原子能级检测区。这种检测可以通过不均匀磁场进行，即在强的偏转磁场作用下把没有跃迁的原子分离掉只保留跃迁后的原子，再利用粒子计数器和频率扫描就可以获得原子的跃迁几率和Ramsey条纹。当然，也可以通过荧光进行检测，即利用一束激光使原子团中的原子发生受激和自发跃迁，通过接收器接收并分析接收到的原子自发跃迁放射出的荧光强度就可以获得原子跃迁几率。这种方法一般用在激光抽运选态的原子钟上，而磁场检测一般用在磁选态原子钟中。原子探测区可以在冷却激光场下方，也可以在其上方。

3 空间冷原子钟的研究

虽然冷原子喷泉钟与传统的原子束钟相比其稳定度和精度都有了很大的提高，但是在原理上，重力成就了它也极大地限制了它。原子做自由上抛和落体运动的总时间可见要使原子与微波的作用时间间隔提高一个量级，则需要设计一台高度至少100 m的原子钟，这在技术上是很难实现的。Zacharias做过类似的实验尝试，不同的是他用了未经冷却的热原子。

为了突破重力对提高原子钟精度的限制，科学家们把目光转向了空间微重力环境，这是空间冷原子钟研究的原始动力。表2给出了地面实验和微重力环境实验的对比情况[12]。空间冷原子钟是基于地面冷原子喷泉钟发展而来的。如图8所示：原子在被正交互射的激光冷却俘获之后采用移动光学黏团(molasses)技术将其向右轻轻推出；然后通过一个微波选态腔(初态制备)使冷原子更多地聚集在基态的一个超精细能级上；接着再利用一束选态激光将处于其他精细能级的原子打掉；最后让完全处于单量子态的原子均匀而超缓慢地进入并通过一个环形微波腔，使之与微波发生两次作用实现原子的超精细能级跃迁；在环形微波腔的右侧通过双能级探测器便可以测出处于不同量子态上的原子数，进而算出其跃迁几率。此外，原子钟的鉴频谱线Ramsey条纹的获取是通过扫描微波频率实现的。空间冷原子钟与地面喷泉钟相比精确度更高，原因是超慢速移动的冷原子团不仅有更长的时间与微波发生作用，而且降低了微波腔的相移。

以上简明地介绍了原子钟在发展过程中的部分主要原理，事实上原子钟所涉及到的各种技术很多，并且在不断地更新和提升。

中国于1958年开始在原子钟方面的研究，半个多世纪来已经取得了可喜的成果。从氨分子钟的成功到氢原子钟、铯原子钟和铷原子钟的研制，各种传统的热原子钟我们都实现了。CPT-Maser原子钟[15]，芯片原子钟[16]和光钟等新型原子钟的研究项目也已经立项。中国科学院上海光学精密机械研究所从2000年起，就开始进行小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟实现方案等方面的研究[17-23]。在这里要着重强调说明的是他们研制的空间激光冷却原子钟地面原理样机[24]——超高精度铷原子喷泉钟(图9)，其由物理单元、光学单元、微波单元和控制单元四个部分构成。超高真空系统、激光冷却光学平台、高性能微波源以及微波环形腔在该原理样机中已被研制成功并实现了全过程自动运行。这台钟是国内地面冷原子喷泉钟中体积小、重量轻、功耗低的典范之作，其使用的铷原子也比目前国际上仅存的欧洲空间局(ESA)支持的PHARAO[25-27]冷原子空间钟地面样机里的铯原子具有更多优良的物理性能，比如超低温下更小的碰撞频移，选态原子数损失更少，准确度和稳定度更高等。此样机的全功能实现对于天宫二号里那只别致的“手表”可以上天并开展科学实验可谓是功不可没。图10为空间冷原子钟原理样机结构示意图。

表2 地面环境和微重力环境的参数比较

图8 空间冷原子钟工作原理图(刘琪 制图)

图9 中国科学院上海光学精密机械研究所研制空间冷原子钟(赵侃 拍摄)

图10 空间冷原子钟原理样机结构示意图

图11 空间冷原子钟的典型应用(刘琪 制图)

表3 空间钟计划中的原子钟特征与比较

空间冷原子钟研制和运行的成功对于基础物理学的研究及科技的应用都意义非凡，比如：空间站内的冷原子钟对卫星上的传统热原子钟[28]进行不受地球大气影响的校准，以及与地面喷泉原子钟形成空-地、地-空、地-地的完整校准。由于卫星全球定位系统的核心技术就在于原子钟的精准度，空间冷原子钟的在轨持续运行会大幅度地提高GPS的定位精确度(图11)。此外，在表3中给出了国际上关于空间冷原子钟的相关计划及应用[13]。

最后要说的是：“高冷”的背后是中国科学院上海光学精密机械研究所热血科学家的无尽求索和倾力付出以及他们对待科学的一颗赤子之心，我们要向他们致敬！

(2016年11月8日收稿)

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(编辑：温文)

公 示

根据沪新出报[2017]2号文件要求，现将本刊（《自然杂志》）要通过2017年度核验的《新闻记者证》持有人员名单予以公示，名单如下： 温文、段艳芳。公示受理电话：021-66135618；上海市新闻出版局举报电话：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