2代衛星導航猛料:中國研製成功最精確原子鐘

　　編者按：十年前，國家為落實「科教興國「的偉大戰略，啟動了在中國教育和科學發展史上具有開創性意義的「211工程」。工程的實施，在學科建設、人才培養、科技創新等方面為北京大學這樣一所百年名校的發展，提供了重要的物質支持和精神支撐。在短短的十年左右的時間中，全體師生團結進取，開拓創新，以奮發向上的精神面貌和豐碩的學術科研成果，為中華民族的進步不斷作出著新的貢獻。我們將陸續推出——回眸北大「211工程」的系列報道，讓大家在了解和思考中，進一步增強建設世界一流大學的豪情壯志，在新階段的歷史征程中，不負國家和人民的期望，書寫更加輝煌的篇章。
　　2006年4 月17，18號北京大學將接受「211」工程二期項目的驗收。 「構建新一代原子鐘研究平台」正是「211工程」中重要的一個項目。在迎接驗收前夕，記者特地採訪了該項目的帶頭人、北京大學信息科學技術學院副院長、博士生導師、量子電子學研究所所長、教育部量子信息與測量實驗室主任陳徐宗教授。
　　記者：陳教授您好！首先非常感謝您在百忙中接受我的採訪！您知道再過10天我們北京大學就要接受「211」工程二期項目的驗收，您可以談一下在過去幾年中我們這個項目獲得「211」工程資助的資金數額以及在這些資金的資助下推動了哪些研究項目，進展如何呢？
　　陳教授（以下簡稱陳）：好的，我也正想利用這個機會向大家彙報一下。在過去幾年中我們這個項目獲得了「211工程」二期資金300百萬，利用這批資金我們主要做了三件事：
　　第一，研製成功我國（也是世界上）第一個長期連續運轉的光軸運銫原子鐘（至今已連續運轉2年多），長期穩定度達:10-10,準確度到達10-11打破了美國等的禁運，滿足國內地面高精度小型化原子鐘的需求；
　　第二，研製出高性能的銣原子鐘，使銣原子鐘穩定度從目前的1×10-13/日提高到2－3×10－14/日的國際先進水平，該原子鐘已被選為我國二代衛星導航系統的核心部分；
　　第三，我們建立了新型原子鐘的基礎研究平台，該平台可以開展以超冷原子與超高精度光學梳狀發生器為基礎的新型原子鐘研究，取得的成果為： 　　
　　（1）實現了玻色—愛因斯坦凝聚，獲得了中國穩定最低的物質材料，溫度為50納開爾文，而絕對零度是0開爾文,我們知道絕對零度是無法實現只能靠近。
　　（2）實現了多種原子激光(包括：脈衝原子激光、連續原子激光、准聯繫原子激光、磁場加速原子激光等)。國際上共有43個實驗室獲得了玻色—愛因斯坦凝聚，其中只有8個獲得了脈衝原子激光，我們北大量子電子實驗室就是其中之一。而連續原子激光世界上只有2個實驗室獲得，一個是2005年諾貝爾物理學獎獲得者德國慕尼黑大學教授、馬克斯普朗克-l量子光學研究所所長Theodor.W.Hansch教授領導的小組，另一個就是我們北大的實驗室。
　　（3）建立了高精度飛秒鎖相光梳與半導體激光頻率標準測量系統。利用此平台，我們獲得了國際973項目：「超冷原子光晶格微波原子鐘」、「主動式鈣原子光鍾」、「主動式鈣原子光鍾」與國家自然科學重大基金項目「光學頻率向微波頻率精密傳遞」等項目的支持。
　　記者：聽了陳教授的介紹，真是歡欣鼓舞！陳教授，我對您剛才提到的一些比較專業的術語比如玻色—愛因斯坦凝聚、一些數據的實際概念都不是完全了解。另外我也想問一下原子鐘的工作原理。
　　陳：首先玻色—愛因斯坦凝聚是愛因斯坦在70年前提出的，我們知道在常溫下原子是很活躍的，很難控制，而到達一定低溫后所有的原子會表現出同一個狀態形成一種「凝聚」。打個不恰當的比方——本來操場上有很多穿著各種衣服在鍛煉的同學，他們打球、踢球、跑步等等，而現在讓他們都穿上統一服裝做廣播體操，並且假設每個人都是一模一樣的。而玻色—愛因斯坦凝聚狀態下的原子就類似這個情形。至於上面所說的一些數據，10－12也就是說原子鐘30萬年差一秒，我們現在研製成功的10－15也就是說3000萬年差一秒。
　　而天穩定度我們這樣說吧，衛星在運轉過程會出現偏差，每天都要調整，如果衛星攜帶的原子鐘天穩定度高，那麼調整幅度就比較小，調整起來就比較方便。至於原子鐘的工作原理嘛，我們知道電子在原子內進行越遷能動。原子鐘就是靠電子在原子內躍遷時發光的頻率來計時，它的振動頻率最穩定，已成為世界上精度最高的鐘。
　　記者：世 多謝陳教授的介紹！我從您剛才的介紹中可以知道原子鐘在航天方面的應用挺廣泛，那您可以給我具體講一下這項技術的用途嗎？
　　陳：界原子鐘主要運用在航天、通訊、國防領域。由於原子鐘極高的穩定度所以在航天器、遠距離通信以及精確制導方面有著廣闊的應用前景。我們現在正研製一種小型原子鐘，只有電子手錶那麼大，利用紐扣電池就可以運轉。另外上面提到10－15是3000萬年差一秒，如果我們進一步把精確度提高到10－18 ，就是300億年差一秒，而大爆炸以來是50多億年，也就是說比地球年齡還長，那麼我們就可以對地球生命的演化進行進一步的研究。愛因斯坦狹義相對論提出，光不會隨著時間改變。但光可能會隨時間慢慢改變，當我們的精度到達18位有效數字時就能測出來。我們現在達到了15位有效數字，正在努力到達18位，到那時就可以檢驗愛因斯坦理論的正確與否。從而為今後的理論研究開闢道路。
　　記者：論 看來原子鐘技術確實是很尖端的科學，我在準備這次採訪的時候了解到1997－2005年8年中3次諾貝爾物理學獎都是授予了與原子鐘和精密測量相關領域的科學家。這是不是說明我們這個領域是非常前沿的？
　　陳：壇是的，確實可以這麼說。所以我也非常欽佩校領導把我們這個項目列為「211工程」資助項目的遠見卓識。在北京大學「211」工程二期工程經費的資助下，量子電子學研究所建立起了與國際接軌的高性能原子鐘及其精密測量關鍵技術的研究平台，使總體研究水平有了很大提高，在高性能原子鐘（星載銣鍾和光抽運小銫鐘）方面到達國際先進水平，並建立起了研究超高精度原子鐘的精密測量基礎研究平台。另外自行設計建立了飛秒光梳頻率發生器以及多種新型半導體激光頻率標準，為下一步參與國際競爭，開展超高精度（優於10－17）的原子鐘與光鐘的研究奠定基礎。同時實驗室的研究環境和人才培養環境也有了跨越式發展，專業研究隊伍不斷加強。另外我們還積極開展了與國際同行的學術交流。我們知道國際上從事這項研究的基本上都是世界上最最好的學校的實驗室，如美國哈佛，英國牛津、劍橋，法國巴黎高師，日本東京大學，德國Max-Plank量子光學研究所。在過去幾年中，我們接待國內外專家28人次，平均每年接待諾貝爾獎獲得者 2人，同時派出交流13人次。
　　記者：網 陳教授您剛才提了一下人才培養，我們知道做科學研究是一項非常辛苦的事業，可以給我介紹一下您的團隊和實驗室嗎？
　　陳：在「211」經費的資助下我們購買了包括半導體激光器、飛秒激光器、高穩晶振、頻標比對器、自動頻率測試系統等，大型專業儀器設備有了很大改善，同時新建了150平方米的超凈實驗室，增加了300多平方米研究生學習室，使學術環境有了跨越式發展基本上與國際接軌。當然，目前比較突出的實驗室房屋緊張的問題還有待進一步解決。人才培養方面我們這些年共培養了博士研究生21人，碩士研究生34人，其中已畢業博士生9人，碩士生33人。引進「長江獎勵計劃特聘教授」1人，國家「21世紀百千萬人才工程國家級人才」1人，新增加青年副教授3人，聘請國內外著名兼職教授5人。我們這些科研人員基本上都是早上 8 點準時上班，晚上要11點以後才離開實驗室，一周7天除了周日處理一些個人以及家庭事務，其他6天都是這樣。所以我非常感激我的團隊，正式大家的努力工作才有今天這樣的成就。
　　記者：陳老師，我們講了那麼多，我對咱們這個領域也有一定了解了，我可以參觀一下實驗室嗎？
　　隨後，記者在陳教授的帶領下來到了地下一層的實驗室，陳教授指著一台台實驗儀器耐心的給記者講述各種用途。在參觀過程中科研人員在實驗儀器前辛勤工作、一絲不苟。參觀完實驗室陳教授把記者送出門又投入工作之中。
　　人物簡介：
　　陳徐宗，1958年4月出生，江蘇省蘇州市人，北京大學電子學系教授，博士生導師，北京大學信息科學技術學院副院長，量子電子學研究所所長，教育部量子信息與測量重點實驗室冷原子物理與量子精密測量實驗室主任。1993年於中科院上海光機所獲博士學位，1993-1995年在北京大學電子學系做博士后，  1996-1997年在日本工業技術研究院任特別研究員，1995年起任北京大學電子學系副教授，2000年任教授，2003-2004年德國海德堡大學等訪問教授。陳徐宗長期從事研究工作，1994年起開始參與籌建北京大學激光冷卻實驗室，於1996年實現了國內第一個磁光阱，於2000年在國內第一個實現了原子噴泉， 2001年起領導北京大學冷原子小組開展玻色-愛因斯坦凝聚的實驗研究，克服種種困難，於2004年4月獲得高質量的玻色-愛因斯坦凝聚，2004年底獲得中國第一個原子激光，使北京大學的冷原子物理實驗研究擠身國際先進行列；其中，利用馬越讓那躍遷獲得多自旋態分量凝聚體的研究引起了國內外同行的高度評價。此外從1997年開始在國內首先領導研究630nm波段外腔半導體激光頻標，在國際上首次觀察到幾十組碘分子強躍遷超精細譜線，首次在國際上進行了半導體激光五次微分穩頻，獲得了穩定度為10-11的激光輸出。在實驗上獨立發展了具有北京大學特色的外腔半導體激光器、高精密激光碟機動電源、三次、五次激光穩頻、光電時序控制、磁」項目、國家自然科學重大基金項目與科技部863項目等，領導北京大學冷原子物理與量子精密測量實驗室開展玻色-愛因斯坦凝聚的實驗和理論研究、電磁感應透明的實驗研究以及飛秒激光穩頻、半導體激光頻標與量子精密測量等研究。在國內外重要期刊如：《Physics Review A》、《Journal of Physics B》、《Chinese Physics Letters》等上發表論文100多篇，在國內外重要會議上作邀請報告與學術報告30多次。除了科研之外，陳徐宗還承擔本科生與研究生的教學工作，分別講授過《力學》、《原子物理》、《激光技術》、《激光理論》、《實驗原子物理進展》等課程，培養博士生與碩士生15名。目前兼任中科院計量測試高技術聯合實驗室副主任、中國物理學會量子光學專業委員會委員、中國計量測試學會理事、《量子光學學報》雜誌編委、《中國物理快報》等雜誌特約審稿人、教育部本科教育水平評估組專家等職務。

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