可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场的设计与优化
 

封面解读：

原子喷泉钟作为当前最精密的原子钟之一，在守时授时、精密测量物理、导航定位等许多领域当中得到了广泛的应用。中国科学院上海精密机械研究所量子光学实验室团队利用特别的磁屏蔽结构和磁场线圈设计，来满足铷原子量子态制备和Ramsey相互作用过程中原子钟对量子化轴磁场的要求，有效改善了内部磁场分布情况，并且分析测试了不同线圈电流驱动噪声对磁场随时间的波动的影响，通过对整体系统磁场的精密控制，减小了铷喷泉原子钟二阶塞曼频移的不确定度，使其进入小数10-17量级。

封面文章| 《光学学报》2021年第19期封面文章 | 程鹤楠;邓思敏达;张镇;项静峰;任伟;吉经纬;刘亮;吕德胜;可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场的设计与优化[J].光学学报, 2021, 41 (19):1902001.

1、研究背景

原子钟是利用特定原子能级跃迁频率作为参考基准，输出高稳定时钟频率信号的装置。喷泉原子钟作为当前最精密的原子钟之一，在守时授时、精密测量物理、导航定位等许多领域当中得到了广泛的应用。

喷泉钟由于采用了激光冷却技术将参考原子样品冷却到接近绝对零度附近，使得原子钟精度较热原子钟提高两个多量级，达到10-16准确度。但是，在这样的精度上，原子跃迁频率的磁敏感性要求环境磁场波动在nT量级。处于地球表面磁场强度大约30000~50000 nT环境中的喷泉原子钟，想要获得10-16准确度甚至更高的准确度，在喷泉钟特定原理结构下，必须采用特别的设计满足需求。

2、铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统

喷泉钟工作原理是首先制备绝对零度附近的冷原子之后，将冷原子团沿真空管道竖直上抛大约0.8 m，在原子团处于自由状态的下上升与下落过程中，利用激光、微波联合与冷原子相互作用，对原子团进行量子态制备、Ramsey相互作用、量子态检测等操作，输出准确的时钟信号。

在本研究中，利用特别的磁屏蔽设计和线圈设计，来满足量子态制备和Ramsey相互作用过程中原子钟对量子化轴磁场的要求。

图1 可搬运铷原子喷泉钟装置模切图

图1为铷原子喷泉钟装置图，图中磁屏蔽装置由5层高磁导率坡莫合金加工而成，磁屏蔽筒两端设计成沿屏蔽筒向下覆盖以保证磁屏蔽筒和屏蔽盖紧密配合，减少磁场泄漏。量子化轴磁场是由密绕通电无磁螺线管产生的主磁场和上下各4组对称的补偿线圈组成，其中一个主线圈产生沿原子飞行路径轴向的恒定磁场，另外4组顶部补偿线圈和4组底部补偿线圈产生的磁场用于补偿由于洛伦兹线圈两端和中心磁场的不均匀。

利用原子磁敏跃迁法分别测量有无补偿线圈的内部磁场情况，其结果如图2所示，黑色方块线为单线圈的磁场波动情况实测结果，其波动约为2 nT左右，二阶塞曼频移的不确定为2.8×10-18，红色圆点线为补偿后的磁场波动实测结果，其波动只有0.7 nT左右，二阶塞曼频移为3.4×10-19，减小为单线圈的1/10左右。

图2 磁敏跃迁法测量有无补偿线圈的内部磁场情况

喷泉原子钟的长期稳定度主要是受到喷泉原子钟共振频率的缓慢漂移影响，引起喷泉原子钟共振频率的缓慢漂移原因主要为光强、磁场、温度等变化引起的漂移。由于磁场的变化比较缓慢，所以主要影响原子钟的长期频率稳定度。由图3，可知其长期稳定度为2.9×10-16@400000s。所以，可知均匀稳定的C场是获得性能优异的喷泉钟的基础。

图3 铷原子喷泉钟磁场优化后的Allan 方差；红色虚线是短稳的线性拟合曲线

3、展望

量子化轴磁场空间均匀度和时间稳定性的提高，将可铷原子喷泉钟磁场引起的不确定度提高一个数量级，这个结果足以支撑喷泉钟的整体不确定度进入到10-17量级，后续课题组将在影响喷泉钟不确定度的其他因素上进一步努力，提高喷泉钟综合不确定度。