原子频标物理与技术基础.doc

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1、项目名称:首席科学家:起止年限:依托部门:原子频标物理与技术基础高克林中国科学院武汉物理与数学研究所2005.12至2010.11中国科学院—、研究内容决定原子频标的准确度和稳定度的因素主要是谱线的宽度和稳定性、伺服系统的信噪比和外界环境的影响。而影响原子谱线精确度的根源，在于环境对原子能级的干扰以及与原子分子运动有关的各种效应，而稳定度取决于这些因素随时间的变化关系。与环境隔离（离子阱）或将原子冷却（冷原子）就是主要的手段。而随着频率稳定度提高，在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出来，如多体碰撞效应、Dick效应、量子噪声、相对论效应等。目前在此领域主要探

2、索的问题是：寻找具备超窄谱线的新原子体系，激光冷却与操控原子新的物理机制与方法，各种影响新一代原子频标准确度的物理起源，极端条件下不同物理起源的噪声理论，冷原子碰撞的物理研究及其对频标的影响，用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理等。本项目拟解决的关键科学问题是：有效的冷原子（离子）的制备和控制方法；碱土金属原子和奇同位素离子的光频标机理;超冷原子实现频标的探索；新颖的冷原子相干布居囚禁频标的实现;影响原子喷泉频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径；新原理和新方法用于提高实用原子频标精确度的可能性；微重力环境下的空间冷原子频标特性。本项目的重要研究内容

3、为:(1)新型原子频标的物理基础：针对冷原子和冷离子频标，研究掌握实现原子和离子的有效冷却和提高冷原子密度的方法，研究利用光学势阱囚禁原子的方法，冷碱土金属原子双光子跃迁和奇同位素离子的超精细结构研究,探索减少线宽和提高信噪比的物理途径，以及减小频移方案，准确度评定中频率不确定度的精确表述和测量。由此，探索利用碱土金属原子和奇同位素离子以及超冷原子形成高精度新颖频标工作物质的可能性。（2）实用原子频标的新方法与新技术：分析影响原子喷泉频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径；研究连续原子喷泉，进一步提高饨喷泉的稳定性。研究钮泡原子频标的信噪比问题，探讨避免壁碰

4、撞频移和微波功率频移以提高长期与短期稳定度的新方法；采用场移式微波谐振腔结构，开展空间传输以及微重力条件下的微波和冷原子相互作用的实验研究（3）原子频标新原理和新方案探索：研究量子纠缠、量子相干、量子信息存取等在频标中的应用原理与方案，探索利用这些原理和方法克服各种频移、压窄线宽的途径。探讨原子的精密计算方法以及新原子频标的体系和方案。二、预期目标总体目标：研究原子频标相关的基础物理问题和关键技术；在新原理原子频标的方案研究和技术实现方面有所创新和突破；改进国家独立的时频标准系统的性能。与国家、部门和地方支持的其他相关项目相互配合，为我国建立处于世界前列的原子频标打好

5、理论和技术基础，并以此推动我国精密谱测量研究。力争在不远的将来在我国研制出世界上最精密、最准确的原子频标。五年预期目标：原子频标的发展面临许多的挑战和机会，需要不懈的努力和探索，以及雄厚的技术积累和储备。本项目将选择冷原子和新原理频标作为主攻方向，掌握原子频标的若干关键技术，取得研究上的重要突破和进展。同时，培养一支研究骨干队伍，形成若干国内研究基地，为发展我国的原子频标的长期目标打下扎实的基础。具体目标是：1.新型原子频标的机理方面的突破：利用激光冷却、蒸发冷却以及光学势阱等技术获得极低温、高稳定的优质冷原子和冷离子；探讨克服冷原子碰撞效应方法、功率频移(光、微波)

6、机理和减小方法、冷原子运动和量子态的精密操控方案；在冷碱土金属原子的双光子和奇同位素离子光频标以及超冷原子频标方面有所突破；研制稳定度优于lxl(T7秒的相干冷原子频标和稳定度优于lxl(T/秒的碱土原子光学频率标准。2.研究实用频标的新方法和新技术：通过对原子喷泉的性能的改进和新的连续原子喷泉的研究，将原子喷泉频标的准确度提高到优于ixi(r,改进国家的频率基准。用新原理提高钮原子频标的准确度，使输原子频标的长期稳定度优于1xlO'14/年，满足国家的需求。3.发展适用于空间原子频标新方案的各种单元关键技术。采用新的场移式微波谐振腔结构，突破由于冷原子热分布导致的原

7、子与微波场相互作用时间不同而对空间原子频标精度的限制，完成可应用于国防GPS系统的空间原子钟新方案的原理性地面验证，为空间冷原子钟样机提供保证。4.新概念和新原理的量子频标探索。探讨量子纠缠、量子相干信息储存等在频标中的应用；发展用于原子频标的各种原子参数的精确计算方法和多体碰撞理论；建立各种原子频标的准确度和稳定度的评定方法；探索精密时标在物理问题中的应用。三、研究方案本项目以原子频标中的基本科学问题和关键技术作为主要研究内容。本项目为突出重点，兼顾中、长期战略需求，将着重解决原子频标中的压窄线宽、提高信噪比以及降低和控制频移等关键问题，集成全国已