目前实验室级的光晶格原子和离子光钟都达到数百亿年误差1秒水平，超过目前最好的微波原子钟两个量级以上。国际计量大会在规划以超高精度更精准的光钟重新定义时间单位“秒”的具体路线。一旦构建全球性光钟网络，将全球范围内实现高精度时间同步，为5G及未来通信、导航定位等提供统一的时间基准，并为检验相对论与量子力学、探测引力波与暗物质等基础科学研究提供新的手段。在光钟领域的未来，针对光钟最核心的量子频率参考体系和专用量子稳频激光器，一方面，拓展光钟精度极限的新原理和新方法；另一方面，发展小型化、集成化与工程化光钟，满足空间站、星载、舰载、机载场景等实际平台应用。
但构建光晶格原子或离子光钟一般需要5台以上不同波长的稳频激光器，且钟跃迁激光需匹配Pound-Drever-Hall (PDH) 技术，对腔体材料和工作环境有着极其严苛的要求，系统庞杂、成本昂贵，大多被限制在实验室内。
2025年1月21日，北京大学电子学院陈景标教授团队在AIP出版社旗下的国际学术期刊《Applied Physics Letters》上，同时发表了光钟研究两项成果：“A 780 nm optical frequency standard based on diffuse laser cooled 87Rb atoms”和“Compact 852 nm Faraday optical frequency standard”。陈景标教授团队提出了与光晶格原子钟和离子光钟完全不同的两种光钟新方法，相比光晶格原子和离子光钟，原理上仅需一台激光器或加上移频、不需要昂贵的PDH系统。低成本和低复杂性的特点，具有空间站、星载、舰载、机载场景等实际平台的应用潜在优势。
图1 成果1论文截图
图2 成果2论文截图
陈景标教授课题组在漫反射冷原子光钟领域取得进展，成果1中提出并原理验证了一种基于漫反射激光冷却铷原子的780 nm光钟方案。首次利用漫反射激光冷却技术制备出50厘米长的冷87Rb原子团，并以此作为量子频率参考，成功实现了基于频率调制谱稳频的780 nm冷原子光频标，有望发展成为空间冷原子光钟，促进空间科学、导航定位、波长标准领域的应用。
将激光冷却原子技术与频率调制谱稳频技术相结合，利用各向同性的漫反射激光冷却，在一个 ϕ 2 cm × l 50 cm的真空玻璃管内获得一个50 cm长的冷原子团。通过探测冷原子频率调制谱，并将外腔半导体激光器的输出频率锁定在87Rb 52S1/2 (F=2) 至52P3/2 (F’=3) 循环跃迁，最终实现了环内秒级频率稳定度为3.3×10-15的冷原子光频标，6000秒内的峰峰频率波动小于50 Hz。该方案仅用3台相同波长的780 nm冷却、重泵、探测激光器（后续可通过移频减少至1台）即可满足冷原子的制备以及光频标信号的产生。漫反射激光冷却原子光钟的稳频激光器系统，一旦应用了北京大学自主发展的原子选频法拉第激光器，相比光晶格和离子光钟将更加简单、可靠。
图3 基于漫反射激光冷却87Rb原子的780 nm冷原子光频标实验装置图
图4 冷原子频率调制谱探测（上）和780 nm冷原子光频标环内频率稳定度结果（下）
成果2中，陈景标教授课题组在法拉第光钟领域取得进展，基于北京大学自主原创的原子选频法拉第激光器，实现了基于133Cs原子的852 nm紧凑型法拉第光频标。由于使用原子滤光器作为选频器件，法拉第激光器能够自动对准原子的量子跃迁谱线。因此，激光波长对环境变化具有很强的鲁棒性。通过两套光频标外差拍频，法拉第光频标的稳定度为2.81 × 10-13√τ。该成果的小型化和环境适应性为需要高频率稳定性的星载、舰载、机载等应用场景提供了一种实用且可靠的光钟解决方案。
图5 小型化852 nm法拉第光频标实验装置图
图6 小型化852 nm法拉第光频标频率稳定度结果
这两项研究工作由北京大学电子学院陈景标教授和集成电路学院史田田助理研究员合作完成。其中，成果1的第一作者为北京大学电子学院博士生关笑蕾，共同研究人员还包括北京大学电子学院博士生张佳和高勋；成果2的第一作者为北京大学电子学院博士生王志洋，共同研究人员还包括北京大学电子学院博士生刘子捷、史航博、秦晓敏、关笑蕾和张佳。两项研究得到了“量子科学与技术创新”重大项目、中国博士后科学基金、国家自然科学基金、温州重大科技创新重点项目和计量与校准技术实验室基金的支持。
