Science重磅：中国团队创造有史以来最低温度，诺奖得主盛赞「重大成就」

超冷原子平台可实现低温与长自由演化时间，对基础物理检验和原子干涉测量至关重要。此前微重力下最低等效温度为38皮开尔文、自由膨胀2秒，基于原子芯片磁阱。光偶极阱具有更好的光学接入和原子种类灵活性，但尚未在微重力下制备量子简并气体。

2026年11月5日，北京大学电子学院、中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光技术与系统部、北京大学物理学院国际量子材料中心、中国科学院空间应用工程与技术中心、复旦大学物理系组成的研究团队在《Science》发表题为“Quantum gases below 10 picokelvin in space”（空间中的10皮开尔文以下量子气体）的研究论文，熊炜、李唐、金圣杰为论文共同第一作者，周小计教授、陈卫标研究员、陈徐宗教授为论文共同通讯作者。

本研究在中国空间站利用光偶极阱制备的玻色-爱因斯坦凝聚，含2.0x10⁴个原子，等效温度低于10皮开尔文，自由膨胀时间达7.0秒。该创纪录低温有望推动空间量子模拟与精密测量中基于光偶极阱的新一代实验。

这一研究成果比2021年德国科研团队创造的铷原子云等效温度38皮开尔文要更加接近绝对零度，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再迈进一步。

诺贝尔物理学奖得主、美国麻省理工学院物理系教授沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）评价称，这是超冷原子领域的一项重大成就。这一成就现在是一个很好的起点，可以推进原子温度测量和精密测量。

《Science》审稿人评价，该工作成果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。

为什么在太空制造极低温

超冷原子物理领域的一个痛点问题是，重力对极端低温与演化时间的双重压制。

从微观物理机制来看，将原子气体冷却至接近绝对零度，是观测宏观量子现象的前提。当温度降低到微开尔文乃至纳开尔文温区时，原子的德布罗意物质波波长开始超过粒子间的平均距离，粒子波包发生重叠，最终发生相变形成宏观量子相干态，即玻色-爱因斯坦凝聚。这一纯净的量子系统，是量子精密测量、量子模拟以及基础物理规律检验的基石平台。

然而，在地面实验中，物理学家始终无法摆脱地球重力的干扰。重力会引起显著的“重力下垂”效应，使原子在束缚势阱中不断向下沉降。

为了对抗重力、避免原子从势阱中滑落溢出，实验装置必须在降温过程中始终维持较强的束缚势，即维持一个有限大小的阱频率。这就从物理机制上封死了阱深进一步降到超浅状态的可能，导致地面三维系统的冷却极限长期停留在数百皮开尔文区间。即便使用磁悬浮技术来对冲重力，残余磁场的空间曲率依然会阻碍势阱频率的进一步下降。

更为关键的是，重力很大程度上剥夺了原子的自由演化时间。在原子干涉仪等前沿精密传感应用中，测量灵敏度与原子团在无约束状态下的自由飞行时间（TOF）的平方成正比。在地面实验室里，失去势阱托举的原子团几百毫秒就会在重力作用下坠落并撞击真空腔内壁，即便是利用地基落塔或抛物线飞机，微重力环境能够维持的时长也仅仅在2秒以内。

全光阱

国际上先做出来的是磁阱路线。此前在轨运行的最主要超冷原子平台是NASA的冷原子实验室（CAL），它搭载在国际空间站上，采用的是原子芯片磁阱方案。CAL曾产生了温度约52皮开尔文的铷原子玻色-爱因斯坦凝聚体，自由膨胀时间1秒左右。

磁阱的优点是技术成熟、功耗相对可控，但它有一个物理上的限制：磁阱只能束缚具有特定磁矩取向的原子，这直接冻结了原子的自旋自由度，而且磁阱无法容纳非磁性原子，更难以与复杂的光晶格进行灵活耦合。

相比之下，利用激光相交形成的光偶极阱（ODT）具备极高的光学可操作性，不仅能自由操控包含多个自旋分量的旋量量子气体，还可以无缝集成多维光晶格。

而中国空间站超冷原子物理机柜（CAPR）走的就是全光阱路线。CAPR使用两套交叉光束构成的光偶极阱，内层阱的束腰只有54微米，用于蒸发冷却；外层阱束腰扩大到124微米，用于后续的准绝热膨胀。

图：中国空间站超冷原子物理实验柜

全光阱在空间环境中面临着多束激光的指向稳定性、高功率光纤激光器的长期连续运行、极高真空度的维持等工程问题。但是，全光阱带来的科学回报也是很明确的：光阱对原子的内态没有磁阱那样的选择性，可以同时囚禁不同自旋态的原子，相互作用可以通过磁场灵活调节，而且对磁场涨落不敏感。

此外，从工程数据上看，这项工作的跨度很大：地面上一套可比的冷原子实验系统大约占20立方米、重10吨，而CAPR要把同等功能集成到0.7立方米、0.5吨的机柜里，项目从2011年开始论证，到2022年随梦天舱发射，再到2026年出结果，前后跨了15年。

两级冷却

实验的物理路线可以分成两个阶段来理解。

第一阶段是在内层光阱里制备玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。团队先把大约200万颗铷原子装载进54微米束腰的光阱，激光功率起初开到每束5瓦，然后逐步把功率往下压。随着阱深降低，高能原子逃逸，剩余原子被蒸发冷却。当功率压到0.2毫瓦时，原子温度降到了3纳开尔文量级，凝聚体开始形成。

图：通过ODT蒸发在空间中形成BEC

这个阶段的关键操作是在蒸发冷却过程中施加一个弱的磁场梯度。微重力下没有重力下陷来帮助高能原子“滑出”势阱，蒸发效率会打折扣。磁场梯度在这里扮演了一个“人工重力”的角色，选择性地作用于对磁场敏感的塞曼子能级，加速它们的逃逸，再通过碰撞把冷却效应传递给目标态。

最终团队获得的是一个处于m_F=0态的、凝聚体分数约89%的BEC，原子数约2.3万。m_F=0态对磁场不敏感，这对后续的干涉测量来说是一个干净的初始态。

第二阶段才是把“等效温度”真正压下去的关键。第一阶段结束后，BEC的“热力学温度”已经在纳开尔文量级，但只要关闭陷阱，原子云立刻会因为相互作用能的释放而快速膨胀。对于原子干涉仪来说，决定干涉时间长短的不是热力学温度，而是这个膨胀能量所对应的等效温度。

团队把原子从54微米的内层阱转移到124微米的外层阱，然后把外层阱的功率降到12.5微瓦，阱频率降到零点几赫兹的量级。在这种极松的束缚下，原子之间的相互作用能被大幅稀释，云团在自由膨胀时的速度被压到了每秒不到200微米，对应的等效温度就是9.7皮开尔文。

图：空间站中超冷原子等效温度的评估

不过，如果严格按照“绝热”要求来做，减压过程需要几百秒，但几十微瓦量级的势阱在那么长的时间里会被环境噪声和系统漂移严重干扰。

团队实际采用的是准绝热减压，持续时间1.175秒。研究人员扫描了不同的减压时间，发现更短会引起激发、温度反弹，更长则累积噪声，1.175秒是冷却效果和稳定性的折中。数值模拟给出的理想等效温度是7.4皮开尔文，实验测得9.7皮开尔文，差距被归因于外层阱激光的指向和强度涨落。

写在最后

加州大学伯克利分校的Holger Mueller和巴黎北大学的Hélène Perrin在评价这项工作时不约而同地把重点放在了全光阱带来的态操控自由度和长自由演化时间上。

Perrin指出，光阱可以同时容纳不同内态的原子，这意味着可以制备多组分、可调相互作用的量子气体。

Mueller则强调，地面实验未来或许也能做到10皮开尔文量级，但不会同时拥有7秒的自由落体时间。对于等效原理检验——也就是验证不同种类原子是否以同样方式感受重力——长自由演化时间和低膨胀速度直接决定了干涉仪能积累多少相位、能达到什么精度。

在更靠应用的一端，这类超冷原子气体是空间原子干涉仪、冷原子重力梯度仪和空间时频基准的核心工作物质。国内公开报道中提到的应用场景包括地球重力场的精细测量、惯性导航，以及更高精度地检验广义相对论预言的时空弯曲效应、搜寻超轻暗物质留下的信号。

接下来可以在这套全光平台上搭建光晶格，把BEC装载到激光驻波形成的周期性势场中，开展量子模拟实验。

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea5324

[2]https://www.news.cn/20261106/5b7364ebea604bf5a0c8025ff40b00d4/c.html

[3]https://www.cas.cn/cm/202611/t20261106_5123597.shtml

[4]https://www.science.org/content/article/china-space-experiment-creates-coldest-temperature-ever?referrer=https%3A%2F%2Fwww.science.org%2Fcontent%2Farticle%2Fchina-space-experiment-creates-coldest-temperature-ever