日前，中科院國(guó)家授時(shí)中心研究員張首剛和云恩學(xué)帶領(lǐng)的原子鐘研究團(tuán)隊(duì)研制出高性能小型化相干布居囚禁(CPT)原子鐘，解決了高性能CPT原子鐘難以小型化的瓶頸問(wèn)題。相關(guān)成果發(fā)表于《計(jì)量學(xué)》。
時(shí)間是目前測(cè)量精度最高的物理量，基于光晶格的鍶原子光鐘穩(wěn)定度可達(dá)E-19量級(jí)，但是其體積過(guò)于龐大，不便攜帶?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，基于CPT的量子干涉效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)原子鐘小型化和微型化。目前的芯片級(jí)原子鐘就是基于CPT原理，體積與火柴盒相當(dāng)，已應(yīng)用于如無(wú)人機(jī)巡航、水下資源勘探等需要精密時(shí)間信號(hào)而又對(duì)原子鐘體積、功耗、重量有嚴(yán)格限制的領(lǐng)域。
但是，目前實(shí)現(xiàn)的芯片鐘頻率穩(wěn)定度僅在3E-10@1s水平，相當(dāng)于運(yùn)行100年累計(jì)誤差不到1秒，在更高精度時(shí)間信號(hào)的應(yīng)用中，如深空探測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航、高速通信等，還需要大幅提升其頻率穩(wěn)定度。
據(jù)張首剛介紹，國(guó)際上多年前就開(kāi)展了高性能CPT原子鐘研究，其中法國(guó)巴黎天文臺(tái)和貝桑松FEMTO-ST實(shí)驗(yàn)室研制了世界上性能最好的CPT原子鐘，其頻率穩(wěn)定度在2E-13@1s水平，也就是10萬(wàn)年積累誤差不到1秒的水平。
“但是，他們采用了較為復(fù)雜的方案，導(dǎo)致了體積、功耗和重量的大幅增加。” 張首剛進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)。
針對(duì)小型化與高性能的矛盾，云恩學(xué)早在巴黎天文臺(tái)工作期間，就原創(chuàng)性地提出了高性能相干極化調(diào)制CPT原子鐘方案。回國(guó)后，他進(jìn)一步提出基于直接調(diào)制窄線寬半導(dǎo)體激光器和圓偏振CPT作用的方案，獲得了國(guó)際一流的短期頻率穩(wěn)定度結(jié)果3.6 E-13 τ -1/2 (4 ~200s)，取樣時(shí)間200秒達(dá)到1.8E-14。
張首剛表示，應(yīng)用該方案將使CPT原子鐘裝置大為簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)高性能CPT原子鐘小型化甚至芯片化，為微納衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)、近地軌道通信、微型自主定位導(dǎo)航授時(shí)等系統(tǒng)提供重要技術(shù)支撐。
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