在中国空间站,创造新的低温纪录

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在中国空间站,创造新的低温纪录
原理 2026-11-06 22:02:29




在一项发表于《科学》杂志的研究中,中国科学家刷新了一项新的纪录:他们利用中国空间站(天宫)上的超冷原子物理实验柜,成功制备出一种被称为玻色–爱因斯坦凝聚体(BEC)的特殊量子物态,并将其等效温度降低至仅9.7皮开尔文(1皮开尔文 = 1×10⁻¹²开尔文 )——比绝对零度仅高出约万亿分之十开尔文,刷新了超冷原子系统的最低等效温度纪录。


中国空间站超冷原子物理实验柜。(图/CSU)



  当原子成为一个整体  


在微观世界中,温度与原子的运动密切相关。通常,温度越低,原子的热运动就越缓慢。当温度降低到接近绝对零度时,一些原子会表现出一种奇特的量子现象:原本各自运动的原子,会集体进入同一个量子态,形成一个统一的宏观量子波。这种特殊的物态就是玻色–爱因斯坦凝聚。在这种状态下,原子会表现出一些奇特的性质,例如产生干涉图样,并在特定条件下出现无阻力流动的超流现象。


1924年,物理学家玻色(Satyendra Nath Bose)和爱因斯坦(Albert Einstein)从理论上预言了这一现象。但直到71年后,随着激光冷却和原子俘获技术的发展,两个研究团队才于1995年,分别利用铷-87原子和钠-23原子,首次实现了玻色–爱因斯坦凝聚。这一突破获得了2001年诺贝尔物理学奖。


(图/CSU)


这些早期实验已经能够将原子冷却至约100纳开尔文(1纳开尔文 = 1×10⁻⁹开尔文),也就是仅比绝对零度高出千万分之一开尔文。



  重要的微重力  


为了获得温度更低的玻色–爱因斯坦凝聚体,物理学家需要尽可能消除重力的影响。这是因为,在地球上,重力会使被俘获的原子云向下沉降,影响原子的冷却效果。


为此,科学家开始将实验设置在微重力环境下。他们会利用落塔实验,让原子在下落过程中经历短暂的失重,也会将实验装置搭载在亚轨道火箭上,利用飞行过程中的微重力条件开展实验。


2018年,NASA将一套可远程操控的冷原子实验室送入国际空间站,并于2020年成功制备出等效温度为52皮开尔文的玻色–爱因斯坦凝聚。2021年,另一支研究团队利用基于原子芯片的磁阱系统,将等效温度进一步降低至38皮开尔文。



  在空间站创造纪录  


2022年,中国物理学家将超冷原子物理实验柜送入中国空间站。与此前利用原子芯片产生磁场来俘获原子的技术不同,这套装置采用了两个相互嵌套的光学偶极阱:两束激光相交形成的强光场能够使原子发生电极化,并对其产生吸引作用,从而实现对原子的俘获。


(图/CSU)


实验中,研究人员首先利用一个宽度为54微米的光学偶极阱,俘获了约200万个铷原子。随后,他们逐渐降低激光功率,让能量较高的原子逃逸,从而使剩余原子的温度下降至约3纳开尔文。接下来,研究人员让这些原子膨胀进入一个宽度为124微米的更大光学偶极阱。这一过程大幅减弱了原子之间的相互作用,从而使原子云进一步冷却。


最终,研究团队成功制备出约2万个原子组成的玻色–爱因斯坦凝聚,并在长达7秒的自由膨胀后,测得仅为9.7皮开尔文的等效温度,刷新了超冷原子系统的最低等效温度纪录。



  打开新的物理实验窗口  


这项研究的意义,不仅在于创造了新的极低温纪录。与9.7皮开尔文相比,7秒的自由膨胀时间可能是一个更加重要的性能指标。这是因为,更长的自由演化时间能够让原子在干涉实验中积累更明显的相位差,从而提高测量精度。


未来,科学家有望利用这一优势,开展更精密的基础物理实验,例如通过比较不同种类原子在引力作用下的自由落体加速度,检验等效原理是否成立。


与此同时,与传统磁阱不同,光学偶极阱能够同时俘获处于不同内部量子态的原子,使研究人员能够更灵活地调控原子之间的相互作用,探索超冷量子气体的性质。研究团队还计划利用激光构建光学格,将原子排列在人工形成的周期性结构中,以模拟电子在晶体中的行为,研究高温超导等复杂量子现象。


从创造新的温度纪录,到为量子模拟和精密测量提供新的实验条件,这项研究展示了空间超冷原子实验的巨大潜力。研究团队也表示,愿意向国际科学界开放这一实验平台,推动更多基础物理研究与国际合作。


#参考来源:

https://www.science.org/content/article/china-space-experiment-creates-coldest-temperature-ever

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea5324

https://www.sciencenews.org/article/lowest-temperature-china-space-station

#图片来源:

封面及首图素材:CSU

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发布时间:2026-11-06 20:52:56


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