Section 01 什么是冷原子钟

1.原子钟

原子钟是利用原子振荡频率来确定的时间频率标准。原子由原子核与外层电子组成，原子核带正电，带负电的电子绕着原子核运动。每个元素中的电子与原子核的距离不同，但只能处于一个特定的能级或“轨道”。当电子吸收能量时，它们会跃迁到更高的能量状态（将其看成是远离原子核）；当电子释放能量时，它们会跃迁到较低的能量状态（将其看成是接近原子核），损失的能量作为电磁辐射（微波、光波等）被释放出来。能量状态之间的这种跃迁就是原子钟要测量的“振荡”频率。

原子振荡频率误差取决于频率跃迁谱线的宽度。一般而言，谱线越窄，原子钟的精度越高。早期的原子钟基于常温下的激光，但常温下的原子处于剧烈运动中，提取和观察会受原子热运动的影响。

2.冷原子钟

冷原子钟是通过降低原子温度，使原子能级跃迁频率更少地受到外界干扰，从而实现更高精度的原子钟。图4-1是中国科学院上海光学精密机械研究所研制的空间冷原子钟外形及其工作原理结构示意图。目前，最准确的原子钟是将原子冷却到接近绝对零度的温度，用激光减慢原子热运动并在充满微波的空腔中的原子容器中对原子进行探测，对这些几乎不动的原子进行测量，结果会更加准确。例如NIST-F1原子钟，它是美国的国家主要时间和频率标准之一。

空间冷原子钟主要利用了空间的微重力环境。在微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动。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，获得原子跃迁概率，改变微波频率即可获得原子钟的冉赛条纹谱线，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。预计在微重力环境下所获得的冉赛条纹谱线线宽可达0.1Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，从而可以获得更高精度的原子钟信号。

图4-1 空间冷原子钟外形及其工作原理结构示意图