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首台“光钟”背后:甘坐十年冷板凳

发布时间:2019-11-03 07:14编辑:科技知识浏览(51)

    ■本报记者 鲁伟 通讯员 罗芳时间频率标准是人类生产和科学活动的基本条件。在我国基础物理学领域,活跃着这样一群研究时间频率标准的科学家,他们以看不见摸不着却无时无处不在的“时间”为研究对象,以期得到更精准的时间计量值。近日,我国光频标研究领域传来喜讯,由中国科学院武汉物理与数学研究所研究员高克林领导的囚禁离子研究组,经过十余年的努力,突破了一系列关键技术,成功研制出了国内首台基于单个囚禁冷却钙离子的光频标。在中国科学院近期组织的成果鉴定会上,以中国计量科学研究院李天初院士为主任的相关专家对其给予高度评价,称“该成果达到国际先进水平”。据介绍,当光频标做成装置时,其又被称为“光钟”。它比目前的微波钟理论精度高出4~5个数量级,是现在最为精准的时间频率计量装置,有望成为国际新一代时间频率基准。至此,我国成为继美国、德国、英国、加拿大、奥地利和日本之后,第七个拥有此项技术的国家。“光钟”三道坎在中国科学院武汉物理与数学研究所,记者见到了高克林。作为波谱与原子分子国家重点实验室副主任和两任国家“973”项目的首席科学家,高克林显得非常低调与随和。高克林告诉记者,从古埃及制造方尖石塔算起,人类对时间计量的研究至少已经有五千多年的历史。“每一次时频精度的提高,都使人们在更深的层次上对物质世界的认识得到新发展。”他介绍说,作为时间标准的基础,目前通用的“秒”的定义以原子在微波波段上的量子跃迁为标准,而光频标则是利用原子在光波波段的跃迁来定义。高克林指出,由于光学频率比微波频率高出4~5个数量级,在相同跃迁谱线线宽的条件下,光频标的不确定度将优于微波频标,所以科学家们一直期盼着实现高精度的光频标。虽然科学的发展需要光频标,但是光频标的研制并非易事,在技术上必须攻克三道难关,即离子/原子的精密控制,超窄线宽激光器的实现,以及光频的精密测量和锁定。发论文“十年磨一剑”2000年,美国科学家首次利用超窄线宽激光器和飞秒光梳完成了第一个“光钟”实验,宣告了原子光钟时代的到来。“原子的激光冷却、玻色—爱因斯坦凝聚、飞秒光梳和超窄线宽激光器的相继实现,不仅使得该领域近几年诞生了3个诺贝尔物理学奖,也给高精度原子光频标的发展提供了可能。”高克林说。认准了目标,高克林没有丝毫松懈。在中国科学院武汉物理与数学研究所,老一辈科学家朱熙文研究员在囚禁离子方面积累了近20年的研究经验,这对于高克林团队来说,是一笔巨大的财富和动力。然而,作为一项基础研究,每一项进展都需要更大的付出和努力。在光频标研究这条并不平坦的道路上,高克林团队一走就是十多年。“十多年来,高老师每天都要工作到深夜,当整栋办公楼都已灯火寥寥之时,他办公室的灯光总是亮着。”现在已是副研究员的管桦既是高克林的学生,也是他研究所的同事。说起老师,管桦眼里充满了钦佩,“正是有了高老师数十载寒暑的艰辛才会有今天的成绩”。尽管取得了骄人的成绩,但是当被记者问到该项研究的发文情况时,高克林微微地笑了笑说:“在较高档次文章发表方面,我们发表了2篇《物理评论A》,分别于去年11月和今年3月发表。”见到记者惊讶的表情,高克林又补充道:“作精密测量研究的人想发表论文的话,需要长时间的积累和足够的耐心。”争取国际话语权光频标的研制成功不仅为我国高精度时频技术奠定了基础,推动了精密测量物理研究的发展,还将大大提高我国通信和定位系统的精度。“目前,光频标的研究仍然处于基础研究阶段,我们与国际最好水平还有一定的距离。”高克林表示,下一步工作主要还是以基础物理和解决技术难题为目标,重点研究高性能的冷离子光频标,并开展基于冷原子的精密测量工作。今年初,以高克林为首席科学家申请承担的“973”项目“光频标关键物理问题和技术实现”项目正式启动。项目将组织攻关,为建立高精密的光频测量平台,满足我国未来科研、空间导航等需要的高精度频率标准提供基础性的工作。据介绍,当前,国际计量权威组织根据光频标等新一代频标技术的发展趋势,有可能在2019年重新讨论“秒”的定义。“目前这台光频标的频率测量值,与国际计量委员会秒定义的二级标准之一推荐值一致,有望被推荐作为近年二级标准的参考权重值,可为我国在世界时间标准的定义上争取话语权。”高克林说。《中国科学报》 (2012-08-15 A1 要闻)更多阅读我国首台“光钟”研制成功

    9月23日,由中国科学院武汉物理与数学研究所主持承担的国家重点基础研究计划项目“光频标关键物理问题和技术实现”课题结题验收会议在武汉召开。会议邀请了来自中科院、高等院校的12位专家参加。同时,该项目的参加单位——华中科技大学、华东师范大学、中山大学、中科院物理研究所和中科院武汉物数所等单位的课题负责人和主要骨干一并出席了会议。会议由首席科学家高克林主持。

    论文链接

    首台“光钟”背后:甘坐十年冷板凳

    五个课题的负责人或者学术骨干分别就“冷离子光频标”、“光晶格原子光频标”、“超窄线宽激光”、“宽谱低噪声光纤飞秒光梳”和“原子光频标中的基础理论与新方案”五个课题在项目执行期间的进展和完成情况进行了介绍。

    近年来,该研究组管桦、黄垚开展了超窄线宽激光和磁场精密控制等多方面关键技术的攻关研究,研制出第二台钙离子光频标。进行了两台钙离子光频标的频率比对实验,由此开展了离子微运动抑制、光场ac-Stark频移、电四极频移以及黑体辐射频移等细致的实验,研制的两台光频标的精度均达到5 X 10-17,相当于6亿年不差1秒。这两台钙离子光频标比对的结果证实其2万秒的频率稳定度达到了7 X 10-17。在此基础上,基于GPS系统的超高精度远程光频绝对值测量方案,实现了钙离子4S1/2-3D5/2跃迁频率绝对值的进一步测量。光频跃迁为:411 042 129 776 401.7 Hz。该项工作使得Ca 成为继Hg 、Al 、Yb (英国NPL/德国PTB)和 Sr (英国NPL/加拿大NRC)离子之后不确定度达到10-17水平的第五种离子光频标。

    高克林感谢科技部和各位专家的一贯支持和全力帮助,感谢项目组同仁的不懈努力,共同奋斗。通过大家的努力才有了今天的发展,但光频标未来的发展还任重道远,大家还需付出更大的努力。

    该项工作得到科技部、国家自然科学基金委和中科院的资助,也得到华东师范大学教授马龙生和计量科学研究院研究员李天初的支持。

    专家组认真听取了各课题在过去五年执行期间的主要研究进展和成果的汇报,并进行了热烈的讨论和认真的评议。专家们认为:这五年来每个课题的研究都取得了很大的进展,建立了良好的研究平台,解决了一系列关键物理问题,实现了一系列关键技术的突破和跨越式的发展,并涌现出不少亮点。同时培养和建立了一支高水平的科研队伍。专家们指出,下一步需要解决如何进一步提高光频标精度的问题,并就光频标的应用进行探讨。

    首台“光钟”背后:甘坐十年冷板凳。两台钙离子光频标的频率不确定度和2万秒稳定度均达到10-17,基于GPS系统的超高精度远程光频绝对值测量方案,实现了钙离子4S1/2-3D5/2跃迁频率绝对值的进一步测量,光频跃迁为:411 042 129 776 401.7 Hz

    “光频标关键物理问题和技术实现”项目以解决原子光频标领域中一些迫切需要解决的基础物理和技术为目的,重点研究新型冷原子和冷离子光频标,同时开展新原理在原子光频标中的应用的探索研究。通过本项目的实施,在原子频标的基础前沿开展研究,在未来的原子频标研究中拥有自己的知识产权。并培养和建立起一支高水平的科研队伍,为建立我国独立的时间频率体系和满足我国未来国防、科研、空间导航等需要的高精度频率标准提供前瞻性和开拓性的基础工作。它将为开展一些基本物理问题的研究,如重力红移的精密测量、基本物理常数是否随时间变化等,提供十分有效的实验手段,将有助于进一步提高人们对客观规律的认识与理解。

    高精度的冷原子光频标是目前频率准确度最高的原子时间频率标准。近日,中国科学院武汉物理与数学研究所高克林研究组在光频标研究中取得新进展:成功研制出两台钙离子光频标,并完成两台钙离子光频标的频率比对,研究表明两台光频标的精度和频率稳定度均达到10-17。研究成果发表于2016年1月8日的《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.首台“光钟”背后:甘坐十年冷板凳。 116, 013001 。

    会议现场

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    此前,该研究组经过10余年的努力,突破了一系列物理和关键技术,曾于2012年研制出国内首台钙离子光频标,当时的精度达到了7 X 10-16,相当于4千万年不差1秒。

    2015年9月29日,该钙离子光频标的绝对频率测量数据再次被国际时间频率咨询委员会会议采纳,对修改钙离子光学标准频率作出了新的贡献。

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