陳徐宗：揭幕中國時刻

文/龐貝 李慧

陳徐宗：揭幕中國時刻

文/龐貝 李慧

提到衛(wèi)星定位，人們自然會想到GPS。

在伊拉克戰(zhàn)爭中，美英聯(lián)軍采用的精確制導武器打得伊拉克幾乎毫無招架之功，這些精確制導武器都采用GPS系統(tǒng)來進行精確定位。

實現(xiàn)精確定位靠的是精確時間。精密時間是科學研究、科學實驗和工程技術諸方面的基本物理參量。從建立一個現(xiàn)代化國家的大系統(tǒng)工程總體考慮，導航定位和授時系統(tǒng)應該說是基礎工程，對整體社會的支撐幾乎是全方位的。它不僅為精確定位提供保障，還為一切動力學系統(tǒng)、時序過程的測量和定量研究提供必不可少的時基坐標。在通信、電力、控制等工業(yè)領域和國防領域，對精度時間和頻率的依賴日益增強。

基于時間的基礎性和重要性，我國迫切需要建設自己獨立自主的時間系統(tǒng)，而其中的關鍵就是高精度的原子鐘?！霸诰_打擊時代，原子鐘的作用和位置不亞于原子彈?！敝袊脑隅妼＜?、原北京大學常務副校長王義遒曾這樣表示。

原子鐘是時間頻率技術的核心裝備，人類精確使用和掌握時間正是利用原子鐘。原子鐘利用圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，釋放出的能量產(chǎn)生共振頻率，以共振頻率為節(jié)拍器來測定時間。“研究中國自己的原子鐘，建設自主的時間頻率體系”，這是任務，也是責任。

陳徐宗，北京大學信息科學技術學院教授、博士生導師，北京大學量子電子學研究所所長、冷原子物理與量子精密測量實驗室主任、新型原子鐘研究中心主任，1993年于中科院上海光機所獲博士學位后來到北京大學，協(xié)助時任北京大學常務副校長的王義遒教授組建起北大激光冷卻實驗室，開展基于冷原子的原子鐘研究。

經(jīng)費少、條件差，一切從零做起，在完全自力更生的情況下，他們利用3年時間，研制成功我國第一個銫磁光阱，將銫原子溫度冷卻到了100微開爾文以下，緊接著又利用偏振梯度冷卻的方法，將銫原子溫度冷卻到了5微開爾文以下，為我國實現(xiàn)原子噴泉鐘積累了經(jīng)驗。2001年，北京大學激光冷卻實驗室實現(xiàn)了我國第一個原子噴泉。在這一年，陳徐宗教授開始主持實驗室工作，基于國家關于高校的科研定位，他們將原子噴泉原子鐘的研究任務轉移到中國計量研究院，而將目光專注于更為基礎的前沿研究——玻色——愛因斯坦凝聚。

玻色——愛因斯坦凝聚是愛因斯坦在1924年預言的一種新物態(tài)。在常溫下原子是很活躍的，很難控制，而達到一定低溫后所有的原子會表現(xiàn)出同一個狀態(tài)，形成一種“凝聚”。陳徐宗教授如此解釋這種新物態(tài)：“打個不恰當?shù)谋确健緛聿賵錾嫌泻芏啻┲鞣N衣服在鍛煉的同學，他們打球、踢球、跑步等等，而現(xiàn)在讓他們都穿上統(tǒng)一服裝做廣播體操，并且假設每個人長相都是一模一樣的，而玻色——愛因斯坦凝聚狀態(tài)下的原子就類似這個情形。”由于這項研究給量子物理領域開辟了一個新天地，2001年的諾貝爾物理獎便授予了該領域的科學家。為此陳徐宗教授于2001年在北京大學開始了這項十分新穎的前沿研究。

這項研究技術十分復雜和艱難，共包含7項技術，因此陳徐宗將他的實驗室分為7個研究小組，計劃用3年的時間來突破這個技術。雖然任務艱巨，但是大家干勁十足，每天9點到晚上11點是他們固定的上班時間。

方向明確、踏實奮進似乎是成功的必經(jīng)之途。2004年4月，他們終于克服種種困難，獲得高質量的玻色——愛因斯坦凝聚。2004年底獲得中國第一個原子激光，他們利用可控馬越讓那躍遷獲得了多自旋態(tài)分量凝聚體的原子激光，研究得到了國內外同行的高度評價。

據(jù)陳徐宗教授介紹，他們所建立的玻色——愛因斯坦凝聚實驗平臺，可以開展以超冷原子與超高精度光學梳狀發(fā)生器為基礎的新型原子鐘研究，并取得一系列成果：(1)實現(xiàn)了玻色——愛因斯坦凝聚，獲得了中國穩(wěn)定最低的物質材料，溫度為50納開爾文。(2)實現(xiàn)了多種原子激光(包括脈沖原子激光、連續(xù)原子激光、準連續(xù)原子激光、磁場加速原子激光等)。國際上共有43個實驗室獲得了玻色——愛因斯坦凝聚，其中只有8個獲得了脈沖原子激光，北大冷原子實驗室就是其中之一。(3)利用激光相位控制與頻率控制的方法，獲得了可控玻色凝聚體的超輻射散射，實現(xiàn)了物質波的動量量子操控。(4)利用一維激光駐波場，實現(xiàn)了一維的光晶格，并實現(xiàn)了玻色凝聚體的超流態(tài)到莫特絕緣態(tài)的轉變，通過超輻射散射的方法，實現(xiàn)了上述相變的測量以及光晶格中玻色凝聚體之間的關聯(lián)的測量。(5)在上述研究的基礎上，他與研究組內的另一位年輕教授周小計老師，共同提出了準魔數(shù)波長光晶格微波原子鐘的新思想，這是一種將超冷原子用于原子鐘，突破微波原子鐘當前瓶頸的一種方案，目前的實驗驗證正在進行中。

除上述之外，陳徐宗教授領導的研究小組從1997年開始系列研究了半導體激光頻率標準、高精度飛秒鎖相光梳，發(fā)展了高精密半導體激光技術。2006年建立了具有自己知識產(chǎn)權的飛秒光學梳狀發(fā)生器，研制630nm波段外腔半導體激光頻標，在國際上首次觀察到幾十組碘分子強躍遷超精細譜線，并用高精度飛秒鎖相光梳實現(xiàn)了精度為10-13的精密絕對頻率測量。實現(xiàn)了光學頻率向射頻，以及射頻向光學頻率的精密傳遞，傳遞精度優(yōu)于10-17，發(fā)明了碘分子強譜線的快速海量精密測量方法，使光學精密測量處于國際先進水平。他的研究小組還分別在國際上首次提出了高于當前分辨率的飽和吸收方法以及頻率差大于50GHz以上激光相位鎖定新方法，并在實驗上獨立發(fā)展了具有北京大學特色的外腔半導體激光器，半導體激光放大器，可調諧倍頻激光器，高精密激光驅動電源，三次、五次激光穩(wěn)頻技術，光電時序精密控制技術等關鍵技術。

自2008年起，陳徐宗研究小組為了滿足國家二代導航需求，延續(xù)了北京大學量子電子學研究所楊東海教授的工作，開始研究光抽運銫原子鐘。他們利用激光穩(wěn)頻的基礎，研制了目前國際上最小的飽和吸收穩(wěn)頻激光器，聯(lián)合武漢漢光科技有限公司與航天科工集團203研究所，設計研制出了小型化光抽運銫原子鐘。這是一種國際上尚未商品化的新型原子鐘，有可能成為繼磁選態(tài)銫原子鐘以后的第二種守時原子鐘，為未來的導航、通信系統(tǒng)提供準確的時間與頻率信號。

除科研之外，陳徐宗還承擔本科生與研究生的教學工作，分別講授過“力學”“原子物理”“激光技術”“激光理論”“實驗原子物理進展”等課程，培養(yǎng)博士生與碩士生30多名。目前兼任英國皇家物理學會會士(Fellow)、中國計量測試學會理事、時間頻率專業(yè)委員會副主任委員、中科院計量測試高技術聯(lián)合實驗室副主任、中國物理學會量子光學專業(yè)委員會委員、教育部電子科學技術教學指導委員會委員、中國物理學會饒毓泰獎評審委員會委員、英國物理學會期刊Measurement of Science and Technology編委、《量子光學學報》、《量子電子學學報》、Chinese Optics Letters雜志編委等職務；陳徐宗教授在Physics Review Letters，Physics Review，Optics Letters，Applied Physics Letters等國內外重要期刊上發(fā)表論文100多篇，在國內外重要會議上作邀請報告與學術報告50多次；獲批國家發(fā)明專利5項。

“格物窮理”，雖然取得的成就令人矚目，但是陳徐宗教授緊盯科學研究前沿，開拓創(chuàng)新的腳步從未停下。他們目前正在致力于玻色與費米混合量子氣體的研究，運用量子超輻射的方法觀察物理相變過程，開展新的物態(tài)研究，探尋物理機理，希圖能夠制造一些新的物態(tài)，為人類構建新的材料提供新的途徑；同時也希望能夠利用新物態(tài)，成為下一代高精度原子鐘的工作物質。探索世界的本源也是陳徐宗研究小組的興趣之一，為什么世界上的基本粒子分為玻色子與費米子兩類？這兩類粒子的起源是什么？他們準備利用正在搭建的玻色與費米混合量子氣體平臺探索其奧秘。為了獲得理想的玻色與費米量子氣體，將玻色與費米量子氣體溫度降到皮開爾文甚至飛開爾文是一個重要的技術挑戰(zhàn)。而在目前，他們已經(jīng)在實驗室得到幾個納開爾文的低溫，處于國際領先地位。

如果說做原子鐘探尋的是時間刻度怎樣精確變換、時間如何“走去”這樣一個問題，那么陳徐宗對于探尋時間是如何“走來”的同樣興致盎然。他曾游學多國，喜歡閱讀中國歷史與世界歷史方面的書籍，并對考古有深厚興趣?？茖W素養(yǎng)與人文精神是他性格中合而為一的兩面。

陳徐宗教授

子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！标愋熳趶男∠矚g物理，不僅以物理為事業(yè)，更以物理為樂趣。做自己喜歡的事，有國際一流科學家以知己相酬，有青出于藍的學生相伴左右，這是陳徐宗教授人生十分享受的三件樂事。