天宮二號(hào)空間冷原子鐘功能結(jié)構(gòu)與工作原理。中科院空間中心供圖

　　“在過(guò)去二十年有很多人努力要把冷原子鐘送到空間，中國(guó)第一次展示了空間冷原子鐘實(shí)驗(yàn)，這是一項(xiàng)驚人的技術(shù)成就?！?/p>

　　“在太空中進(jìn)行冷原子實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前最有吸引力的前沿方向，由于中國(guó)的重要貢獻(xiàn)，世界上第一次完成了這樣的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

　　“隨著實(shí)驗(yàn)的成功，中國(guó)在天基冷原子傳感器的研究走在了世界的最前沿?！?/p>

　　天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中在軌運(yùn)行近兩年的世界首臺(tái)空間冷原子鐘宣布實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的科學(xué)目標(biāo)。7月24日在線發(fā)表的《自然—通訊》雜志以亮點(diǎn)文章形式在線發(fā)表了這一成果。多位國(guó)際同行專家對(duì)此成果作出上述高度評(píng)價(jià)。

　　2016年9月25日，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射并順利進(jìn)入運(yùn)行軌道，由中國(guó)研發(fā)的世界首臺(tái)太空運(yùn)行的冷原子鐘也終于上天。

　　冷原子鐘是把原子某兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷信號(hào)作為參考頻率輸出信號(hào)的高精度時(shí)鐘，同時(shí)利用激光使原子溫度降至絕對(duì)零度附近，使原子能級(jí)躍遷頻率受到更小的外界干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的精度。

　　在微重力環(huán)境下運(yùn)行高精度原子鐘的意義，可能更加重要?！翱臻g冷原子鐘的應(yīng)用潛力很大?！敝袊?guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員劉亮說(shuō)，“基礎(chǔ)研究方面，測(cè)量廣義相對(duì)論、暗物質(zhì)、引力波等，都可能用到冷原子鐘；它還可以跟‘北斗’衛(wèi)星上的原子鐘同步，讓我們的導(dǎo)航系統(tǒng)更穩(wěn)定，導(dǎo)航精度更高?！?/p>

　　2007年，在空間冷原子鐘分系統(tǒng)首席科學(xué)家、中科院院士王育竹的指導(dǎo)下，劉亮所領(lǐng)導(dǎo)的空間冷原子鐘團(tuán)隊(duì)成立，開(kāi)啟了跨越兩代人、長(zhǎng)達(dá)十余年的攻關(guān)。

　　上天的項(xiàng)目，不論是原理、樣機(jī)，還是初樣，正樣，都有著嚴(yán)格的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，更何況，他們要做的，是要將一臺(tái)3000萬(wàn)年誤差不到1秒的精密儀器，放到復(fù)雜的空間環(huán)境里穩(wěn)定運(yùn)行。

　　“要么在實(shí)驗(yàn)室，要么在出差的路上?！眲⒘吝@樣形容原子鐘的研制過(guò)程。實(shí)際上，直到正樣交付之后，劉亮才規(guī)定團(tuán)隊(duì)成員，以后加班時(shí)間不能再超過(guò)晚上11點(diǎn)。

　　在載人航天工程總體領(lǐng)導(dǎo)下、在中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的統(tǒng)一組織下，天宮二號(hào)空間冷原子鐘載荷分系統(tǒng)——中科院上海光機(jī)所科研團(tuán)隊(duì)終于突破了微重力環(huán)境下運(yùn)行的冷原子鐘物理系統(tǒng)、長(zhǎng)期自主運(yùn)行的冷原子制備與操控激光光學(xué)系統(tǒng)、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

　　科研人員在空間微重力環(huán)境下利用激光把銣原子溫度降低到接近絕對(duì)零度，利用激光和高精度微波場(chǎng)對(duì)制備的冷原子進(jìn)行操縱和探測(cè)，提取出銣原子高穩(wěn)定的能級(jí)躍遷頻率作為高精度原子鐘信號(hào)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了冷原子鐘的在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

　　在軌近兩年時(shí)間里，冷原子鐘運(yùn)行正常、狀態(tài)良好、性能穩(wěn)定，完成了全部既定在軌測(cè)試任務(wù)，成功驗(yàn)證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運(yùn)行機(jī)制與特性。

　　中國(guó)的空間冷原子鐘還實(shí)現(xiàn)了3000萬(wàn)年誤差小于1秒的超高精度，將目前人類在太空的時(shí)間計(jì)量精度提高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，是基于冷原子的空間量子傳感器領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，為空間超高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)的重大需求以及未來(lái)空間基礎(chǔ)物理前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

　　除空間冷原子鐘外，中科院牽頭負(fù)責(zé)的載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)在天宮二號(hào)上開(kāi)展了14項(xiàng)空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，涵蓋了微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究應(yīng)用以及應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等八大領(lǐng)域。

　　相關(guān)論文信息：DOI: 10.1038/s41467-018-05219-z

　　（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2018-07-26 第1版 要聞)