日前，中科院國家授時中心研究員張首剛和云恩學帶領的原子鐘研究團隊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題。相關成果發表于《計量學》。
時間是目前測量精度最高的物理量，基于光晶格的鍶原子光鐘穩定度可達E-19量級，但是其體積過于龐大，不便攜帶。科學家發現，基于CPT的量子干涉效應可以實現原子鐘小型化和微型化。目前的芯片級原子鐘就是基于CPT原理，體積與火柴盒相當，已應用于如無人機巡航、水下資源勘探等需要精密時間信號而又對原子鐘體積、功耗、重量有嚴格限制的領域。
但是，目前實現的芯片鐘頻率穩定度僅在3E-10@1s水平，相當于運行100年累計誤差不到1秒，在更高精度時間信號的應用中，如深空探測、衛星導航、高速通信等，還需要大幅提升其頻率穩定度。
據張首剛介紹，國際上多年前就開展了高性能CPT原子鐘研究，其中法國巴黎天文臺和貝桑松FEMTO-ST實驗室研制了世界上性能最好的CPT原子鐘，其頻率穩定度在2E-13@1s水平，也就是10萬年積累誤差不到1秒的水平。
“但是，他們采用了較為復雜的方案，導致了體積、功耗和重量的大幅增加。” 張首剛進一步補充說。
針對小型化與高性能的矛盾，云恩學早在巴黎天文臺工作期間，就原創性地提出了高性能相干極化調制CPT原子鐘方案。回國后，他進一步提出基于直接調制窄線寬半導體激光器和圓偏振CPT作用的方案，獲得了國際一流的短期頻率穩定度結果3.6 E-13 τ -1/2 (4 ~200s)，取樣時間200秒達到1.8E-14。
張首剛表示，應用該方案將使CPT原子鐘裝置大為簡化，可實現高性能CPT原子鐘小型化甚至芯片化，為微納衛星編隊組網、近地軌道通信、微型自主定位導航授時等系統提供重要技術支撐。
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