在中国空间站，创造新的低温纪录

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。