[论文解读] Tests of Cold Atom Clock in Orbit

L. Liu, Desheng Lü+24 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2017

Advanced Frequency and Time Standards被引用 4

一句话总结

本论文首次在微重力环境下实现了基于激光冷却原子的冷原子钟（CAC）在轨演示，通过拉姆齐探测实现了 $3.0\times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$ 的短期频率稳定度。实验验证了微重力对原子运动的影响，并在太空中实现了冷原子钟的闭环锁定，标志着迈向空间原级频率标准的关键一步。

ABSTRACT

Since the atomic clock was invented, its performance has been improved for one digit every decade until 90s of last century when the traditional atomic clock almost reached its limit. With laser cooled atoms, the performance can be further improved, and nowadays the cold atom based clocks are widely used as primary frequency standards. Such a kind of cold atom clocks has great applications in space. This paper presents the design and tests of a cold atom clock (CAC) operating in space. In microgravity, the atoms are cooled, trapped, launched and finally detected after being interrogated by microwave field with Ramsey method. The results of laser cooling of atoms in microgravity in orbit are presented and compared with that on ground for the first time. That the full width at half maximum (FWHM) of obtained central Ramsey fringes varies linearly with launching velocity of cold atoms shows the effects of microgravity. With appropriate parameters, a closed-loop locking of the CAC is realized in orbit and the estimated short term frequency stability of $3.0 imes 10 ^{-13}/\sqrt{τ}$ has been reached.

研究动机与目标

• 在近地轨道的微重力环境中演示冷原子钟的运行。
• 验证激光冷却与原子调控技术在空间中的性能，并与地面结果进行对比。
• 在轨道上实现冷原子钟的闭环频率锁定。
• 测量并表征微重力条件下冷原子钟的短期稳定度。
• 评估微重力对原子发射速度及拉姆齐条纹宽度的影响。

提出的方法

• 在卫星平台上利用磁光阱（MOT）对铷-87原子进行微重力环境下的激光冷却。
• 通过速度选择性拉姆齐跃迁将原子垂直发射，随后在微重力环境中自由下落。
• 在自由下落阶段应用微波拉姆齐探测，以探测9.2 GHz的超精细跃迁。
• 通过荧光成像检测中心拉姆齐条纹，以半高全宽（FWHM）评估相干性与稳定度。
• 通过反馈回路将微波源锁定至原子跃迁，实现闭环运行。
• 将空间在轨性能与地面激光冷却结果进行对比，以分离微重力的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在近地轨道的微重力环境中成功实现激光冷却与原子调控？
• RQ2 微重力如何影响拉姆齐探测装置中冷原子的发射速度与相干性？
• RQ3 在轨冷原子钟可实现的短期频率稳定度是多少？
• RQ4 空间冷原子钟能否维持闭环频率锁定？
• RQ5 在微重力条件下，拉姆齐条纹的FWHM如何随发射速度变化？

主要发现

• 中心拉姆齐条纹的半高全宽（FWHM）随冷原子发射速度线性变化，证实了微重力对原子运动的影响。
• 冷原子钟在轨实现了 $3.0\times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$ 的短期频率稳定度，表明具有高相干性与稳定性。
• 成功在微重力环境中实现冷原子钟的闭环锁定，表明其在空间条件下可稳定运行。
• 在轨激光冷却性能与地面结果相当，验证了空间中冷原子实验的可行性。
• FWHM与发射速度之间的线性依赖关系，直接证明了微重力通过延长原子相互作用时间而发挥作用。
• 结果证实，微重力可延长探测时间，显著提升空间原子钟的稳定度。