陈徐宗：揭幕中国时刻

文/庞贝 李慧

陈徐宗：揭幕中国时刻

文/庞贝 李慧

提到卫星定位，人们自然会想到GPS。

在伊拉克战争中，美英联军采用的精确制导武器打得伊拉克几乎毫无招架之功，这些精确制导武器都采用GPS系统来进行精确定位。

实现精确定位靠的是精确时间。精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量。从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础工程，对整体社会的支撑几乎是全方位的。它不仅为精确定位提供保障，还为一切动力学系统、时序过程的测量和定量研究提供必不可少的时基坐标。在通信、电力、控制等工业领域和国防领域，对精度时间和频率的依赖日益增强。

基于时间的基础性和重要性，我国迫切需要建设自己独立自主的时间系统，而其中的关键就是高精度的原子钟。“在精确打击时代，原子钟的作用和位置不亚于原子弹。”中国著名的原子钟专家、原北京大学常务副校长王义遒曾这样表示。

原子钟是时间频率技术的核心装备，人类精确使用和掌握时间正是利用原子钟。原子钟利用围绕在原子核周围不同电子层的能量差，释放出的能量产生共振频率，以共振频率为节拍器来测定时间。“研究中国自己的原子钟，建设自主的时间频率体系”，这是任务，也是责任。

陈徐宗，北京大学信息科学技术学院教授、博士生导师，北京大学量子电子学研究所所长、冷原子物理与量子精密测量实验室主任、新型原子钟研究中心主任，1993年于中科院上海光机所获博士学位后来到北京大学，协助时任北京大学常务副校长的王义遒教授组建起北大激光冷却实验室，开展基于冷原子的原子钟研究。

经费少、条件差，一切从零做起，在完全自力更生的情况下，他们利用3年时间，研制成功我国第一个铯磁光阱，将铯原子温度冷却到了100微开尔文以下，紧接着又利用偏振梯度冷却的方法，将铯原子温度冷却到了5微开尔文以下，为我国实现原子喷泉钟积累了经验。2001年，北京大学激光冷却实验室实现了我国第一个原子喷泉。在这一年，陈徐宗教授开始主持实验室工作，基于国家关于高校的科研定位，他们将原子喷泉原子钟的研究任务转移到中国计量研究院，而将目光专注于更为基础的前沿研究——玻色——爱因斯坦凝聚。

玻色——爱因斯坦凝聚是爱因斯坦在1924年预言的一种新物态。在常温下原子是很活跃的，很难控制，而达到一定低温后所有的原子会表现出同一个状态，形成一种“凝聚”。陈徐宗教授如此解释这种新物态：“打个不恰当的比方——本来操场上有很多穿着各种衣服在锻炼的同学，他们打球、踢球、跑步等等，而现在让他们都穿上统一服装做广播体操，并且假设每个人长相都是一模一样的，而玻色——爱因斯坦凝聚状态下的原子就类似这个情形。”由于这项研究给量子物理领域开辟了一个新天地，2001年的诺贝尔物理奖便授予了该领域的科学家。为此陈徐宗教授于2001年在北京大学开始了这项十分新颖的前沿研究。

这项研究技术十分复杂和艰难，共包含7项技术，因此陈徐宗将他的实验室分为7个研究小组，计划用3年的时间来突破这个技术。虽然任务艰巨，但是大家干劲十足，每天9点到晚上11点是他们固定的上班时间。

方向明确、踏实奋进似乎是成功的必经之途。2004年4月，他们终于克服种种困难，获得高质量的玻色——爱因斯坦凝聚。2004年底获得中国第一个原子激光，他们利用可控马越让那跃迁获得了多自旋态分量凝聚体的原子激光，研究得到了国内外同行的高度评价。

据陈徐宗教授介绍，他们所建立的玻色——爱因斯坦凝聚实验平台，可以开展以超冷原子与超高精度光学梳状发生器为基础的新型原子钟研究，并取得一系列成果：(1)实现了玻色——爱因斯坦凝聚，获得了中国稳定最低的物质材料，温度为50纳开尔文。(2)实现了多种原子激光(包括脉冲原子激光、连续原子激光、准连续原子激光、磁场加速原子激光等)。国际上共有43个实验室获得了玻色——爱因斯坦凝聚，其中只有8个获得了脉冲原子激光，北大冷原子实验室就是其中之一。(3)利用激光相位控制与频率控制的方法，获得了可控玻色凝聚体的超辐射散射，实现了物质波的动量量子操控。(4)利用一维激光驻波场，实现了一维的光晶格，并实现了玻色凝聚体的超流态到莫特绝缘态的转变，通过超辐射散射的方法，实现了上述相变的测量以及光晶格中玻色凝聚体之间的关联的测量。(5)在上述研究的基础上，他与研究组内的另一位年轻教授周小计老师，共同提出了准魔数波长光晶格微波原子钟的新思想，这是一种将超冷原子用于原子钟，突破微波原子钟当前瓶颈的一种方案，目前的实验验证正在进行中。

除上述之外，陈徐宗教授领导的研究小组从1997年开始系列研究了半导体激光频率标准、高精度飞秒锁相光梳，发展了高精密半导体激光技术。2006年建立了具有自己知识产权的飞秒光学梳状发生器，研制630nm波段外腔半导体激光频标，在国际上首次观察到几十组碘分子强跃迁超精细谱线，并用高精度飞秒锁相光梳实现了精度为10-13的精密绝对频率测量。实现了光学频率向射频，以及射频向光学频率的精密传递，传递精度优于10-17，发明了碘分子强谱线的快速海量精密测量方法，使光学精密测量处于国际先进水平。他的研究小组还分别在国际上首次提出了高于当前分辨率的饱和吸收方法以及频率差大于50GHz以上激光相位锁定新方法，并在实验上独立发展了具有北京大学特色的外腔半导体激光器，半导体激光放大器，可调谐倍频激光器，高精密激光驱动电源，三次、五次激光稳频技术，光电时序精密控制技术等关键技术。

自2008年起，陈徐宗研究小组为了满足国家二代导航需求，延续了北京大学量子电子学研究所杨东海教授的工作，开始研究光抽运铯原子钟。他们利用激光稳频的基础，研制了目前国际上最小的饱和吸收稳频激光器，联合武汉汉光科技有限公司与航天科工集团203研究所，设计研制出了小型化光抽运铯原子钟。这是一种国际上尚未商品化的新型原子钟，有可能成为继磁选态铯原子钟以后的第二种守时原子钟，为未来的导航、通信系统提供准确的时间与频率信号。

除科研之外，陈徐宗还承担本科生与研究生的教学工作，分别讲授过“力学”“原子物理”“激光技术”“激光理论”“实验原子物理进展”等课程，培养博士生与硕士生30多名。目前兼任英国皇家物理学会会士(Fellow)、中国计量测试学会理事、时间频率专业委员会副主任委员、中科院计量测试高技术联合实验室副主任、中国物理学会量子光学专业委员会委员、教育部电子科学技术教学指导委员会委员、中国物理学会饶毓泰奖评审委员会委员、英国物理学会期刊Measurement of Science and Technology编委、《量子光学学报》、《量子电子学学报》、Chinese Optics Letters杂志编委等职务；陈徐宗教授在Physics Review Letters，Physics Review，Optics Letters，Applied Physics Letters等国内外重要期刊上发表论文100多篇，在国内外重要会议上作邀请报告与学术报告50多次；获批国家发明专利5项。

“格物穷理”，虽然取得的成就令人瞩目，但是陈徐宗教授紧盯科学研究前沿，开拓创新的脚步从未停下。他们目前正在致力于玻色与费米混合量子气体的研究，运用量子超辐射的方法观察物理相变过程，开展新的物态研究，探寻物理机理，希图能够制造一些新的物态，为人类构建新的材料提供新的途径；同时也希望能够利用新物态，成为下一代高精度原子钟的工作物质。探索世界的本源也是陈徐宗研究小组的兴趣之一，为什么世界上的基本粒子分为玻色子与费米子两类？这两类粒子的起源是什么？他们准备利用正在搭建的玻色与费米混合量子气体平台探索其奥秘。为了获得理想的玻色与费米量子气体，将玻色与费米量子气体温度降到皮开尔文甚至飞开尔文是一个重要的技术挑战。而在目前，他们已经在实验室得到几个纳开尔文的低温，处于国际领先地位。

如果说做原子钟探寻的是时间刻度怎样精确变换、时间如何“走去”这样一个问题，那么陈徐宗对于探寻时间是如何“走来”的同样兴致盎然。他曾游学多国，喜欢阅读中国历史与世界历史方面的书籍，并对考古有深厚兴趣。科学素养与人文精神是他性格中合而为一的两面。

陈徐宗教授

子曰：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”陈徐宗从小喜欢物理，不仅以物理为事业，更以物理为乐趣。做自己喜欢的事，有国际一流科学家以知己相酬，有青出于蓝的学生相伴左右，这是陈徐宗教授人生十分享受的三件乐事。