近日，中国科学院空间应用工程与技术中心宣布，在我国空间站超冷原子物理实验柜中，中国科学家率先利用全光阱冷却技术，成功将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文（pk），也就是千亿分之一开尔文，较室温降低了14个数量级，并可自由扩散7秒。这打破了人类此前的低温纪录，制备出目前已知最冷人造物质，标志着中国科学家向绝对零度迈进一大步。

11月6日，相关成果在线发表于国际顶尖学术期刊《科学》。审稿人认为：“该工作是超冷原子精密操控的重要里程碑。对基础物理研究及空间导航、地球观测等应用有重要价值，刷新了超低温膨胀的最高纪录。”

该项目由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头论证管理集成、北京大学与中国科学院上海光学精密机械研究所联合完成。从2011年开始论证，到2022年研制成功、随“梦天”舱发射，再到如今取得重大突破，前后历时15年。

到空间站去，才能让原子更“冷静”

原子永不停歇地做着无规则热运动‌，人们难以捕捉和观测它。降低温度意味着放慢运动速度，原子冷了，也就静下来了——只有降低至接近绝对零度（-273.15℃）时，原子才会被“冻”到几乎静止。

此时，当原子密度足够高时，它们会呈现如玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象——如同形成了一支整齐划一的“仪仗队”。这有助于科学家们研究前沿物理问题，开展精密测量、量子计算、量子模拟等领域的研究应用。

为实现这个目标，理想方案是造出一个能降温至绝对零度的“超级冰箱”。但热力学第三定律告诉我们“绝对零度永远不可能达到”。那么，是否可以无限接近呢？物理学家为此不懈挑战了百余年。2021年，德国科学家将铷原子云的等效温度降至38pk，刷新了人类创造的低温度纪录。

论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授陈徐宗表示，北京大学于2004年在实验室获得了温度为100纳开尔文的“超冷原子”——玻色-爱因斯坦凝聚体。然而，在地球上进行原子冷却实验时，原子云会受重力影响被束缚，但在空间站微重力情形下，可在理论上保证原子进入pK温度区域。

除了热动能，冷却的玻色-爱因斯坦凝聚体还有相互作用能。由此，他们在国际上提出了两级冷却的方案，即蒸发冷却加非绝热扩散冷却，最终可得到10pK的最低温度，在空间站的观测时间可比地面长1000倍。

把一头鲸鲨“瘦身”成一只熊

2022年，中国空间站“梦天”实验舱成功发射，由上海光机所牵头研制的超冷原子物理实验系统，正是一个能将温度极限降低的“超级冰箱”。4年后，利用这一实验系统，中国科学家打破了人类低温纪录。

这个“超级冰箱”是一个全自动的“微型实验室”。在这里，5克金属铷经过多个实验步骤的深度冷却，最终将铷原子云的等效温度降至9.7pK，可持续观测7秒——此前在地面极低温下，仅能观测0.05秒左右，在国际空间站上也只有2秒观测时间。 

为了实现极限冷却，“中国方案”采取了与国际方案采用了不同的技术路线，用全光阱“囚禁”原子云。尽管难度更大，但优势更明显。而且，“中国方案”还可模拟凝聚态物理中难以直接观测的量子现象，使得超冷原子实验柜更像是太空中的量子宇宙模拟器。

方案确定后，上海光机所完成了一系列高难度关键技术攻关，将地面上占地20平方米、重10吨的实验系统，集成到0.7平方米、仅重0.5吨的超冷原子物理实验柜中——相当于把一头鲸鲨“瘦身”成一只熊。在论文共同第一作者、上海光机所研究员李唐介绍，在航天级严苛要求下，团队将多项尖端技术集中实现，“超冷原子物理实验取得的结果，也证明了工程研制的成功”。

提升我国空间量子领域国际竞争力

“绝对零度永远不可到达，但人类迈向它的脚步，永远不会停歇。”中国载人航天工程空间应用系统总设计师、空间应用中心副主任吕从民表示，中国科学家联合工程团队15年磨一剑，完成了从基础研究到工程实现的跨组织、体系化攻关，取得国际最好指标，表明我国已达到国际冷原子物理相关实验技术一流水平。

论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜、金圣杰则认为，温度从室温降到10pK以下，每一次量级的改变都意味着物质将呈现出完全不同的性质和形态，这对物理学研究至关重要。同时，可持续观测时间越长，越有助于发现新的、更微弱的物理现象。

论文共同通讯作者、上海光机所研究员陈卫标认为，该项目有助于提升我国在空间量子科技领域的国际竞争力，研究成果将助力提高相关仪器精度，服务未来空间重力测量。