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文档简介

1、空间冷原子钟从日晷、漏刻计时器（水钟、沙漏等）的出现，到摆 钟、石英晶体钟的发明，人类对于时间的把握越来越精确。 而从 1948 年第一台原子钟发明至今，人类计时的精度更是 以几乎十年一个数量级的速度提高。 2016 年 9 月，由中国科 学家研制的世界上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子 钟（ space cold atomic clock ），随着中国的天宫二号空间实验 室发射升空。空间冷原子钟这一“高冷”的术语带着国人的 热情与自豪，成为热词。空间冷原子钟的原理是将激光冷却 原子技术与空间微重力环境相结合，在空间轨道上获得比地 面上的线宽要窄一个数量级的原子钟谱线，从而进一步提高 原子钟

2、精度。这是原子钟发展史上又一个重大突破，在计量 学、基础物理、守时、全球导航定位系统等方面都有非常重 大的科学研究和工程应用价值。 中科院上海光机所研制的 “空间冷原子钟” 搭载“天 宫二号”发射升空，将成为国际上首台在轨运行并开展科学 实验的“空间冷原子钟” ，同时也是目前在空间运行的最高 精度的原子钟。 “空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微 重力环境结合，有望实现 10-16 量级的超高精度（约 3000 万年误差 1 秒），将目前人类在太空中的时间计量精度提高12 个数量级。空间冷原子钟专题 （中国科学院上 海光学精密机械研究所官网， 2017 年 9 月） 空间冷原子钟主要包括物理单

3、元、微波单元、光学 单元和控制单元四大组成部分，每个单元都有非常高的技术 指标，其工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对 零度（K 量级）的超冷原子团，然后采用移动光学黏团技 术将其沿轴向抛射。在微重力环境下，原子团可以做超慢速 均速直线运动。处于纯量子基态上的原子经过环形微波腔， 与分离微波场两次相互作用后产生量子叠加态，经由原子双 能级探测器测出处于两种量子态上的原子数比例，获得原子 跃迁几率，改变微波频率即可获得原子钟的谱线 Ramsey 条 纹。预计微重力环境下所获得的 Ramsey 中心谱线线宽可达 0.1 Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，利用该谱 线反馈到本地振荡器即可获得高精度的时间频率标准信 号。 超高精度空间冷原子钟 （中国科学院空间应用 工程与技术中心官网， 2016 年 9 月 6 日） 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?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

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