北京大学电子学院陈徐宗教授、周小计教授团队与中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“中科院上海光机所”）等单位合作，在中国空间站梦天实验舱的超冷原子物理实验柜里，把铷原子云的等效温度降低到9.7皮开尔文（pK，10-12K），换算成摄氏温度是−273.1499999999903℃，制备出了目前人类已知最冷的人造物质。
近日，相关成果以“Quantum gases below 10 picokelvin in space”（《空间中的10皮开尔文以下量子气体》）为题发表于《科学》（Science）杂志。
太空中的实验室：把原子冻到极致
开尔文（K）是国际单位制中热力学温度的基本单位，其刻度间隔与摄氏度相同，零点为绝对零度，对应−273.15°C。
9.7皮开尔文，也就是9.7*10-12K，换算成摄氏温度是−273.1499999999903℃，要写到小数点后第11位，才看得出它和绝对零度的区别。
北京大学电子学院教授陈徐宗表示，温度的本质，是原子的热运动。原子跑得越慢，温度就越低。地面上，重力会拉扯原子云向下坠落，想要深度冷却，就要施加更强束缚，而更强束缚会限制温度继续下降；同时，地面观测仅能维持0.05秒。而在空间站微重力环境，原子云自在漂浮，只需极弱约束，就能实现深度冷却。
在空间站内建立一个超冷原子物理实验室的要求非常苛刻，除了相关指标较高外，原本地面一间房屋大小、重达10吨的实验系统，被压缩成0.7立方米、0.5吨重的空间科学实验设施，其功耗低至5000瓦，并能满足载人航天在安全性、可靠性、在轨可维修性等方面的特殊要求。北京大学电子学院的陈徐宗教授作为超冷原子柜的首席科学家，与超冷原子柜的第一个科学实验负责人周小计教授、超冷原子柜副主任设计师熊炜老师，带领北京大学冷原子科学实验团队的博士生同学，同中科院上海光机所书记、超冷原子柜总指挥陈卫标研究员领导的工程团队密切配合，经过七年攻关研制，发展了八项新技术，最终完成了正样机研制，其各项指标在地面测试中均达到了理想水平，顺利通过航天级试验。
2022年10月，这台世界领先的超冷原子物理实验柜，由梦天实验舱送入中国空间站，为超冷原子物理研究提供了一个长期在轨稳定运行的实验系统，是中国首个微重力超冷原子物理实验平台。
在这个柜子里，能够制备出地面条件下难以达到的、无限接近绝对零度的超低温量子体。
北京大学和中科院上海光机所科学实验团队在正样和初样机调试时合影（摄影：史晨）
梦天实验舱内部图，黄框部分为超冷原子物理实验柜
9.7皮开尔文的最低温、7秒的可持续观测时间，新的世界纪录证明了工程研制的成功。
中国方案：从磁阱到全光阱
要理解这个纪录为什么难，得先回到超冷原子物理本身。它是原子物理学的一个分支，是研究原子在极低温条件下量子行为的前沿物理学领域。所谓“超冷”，是指原子作为整体的平动速度极低，对应温度低于微开（μK，10-9K）量级。
当原子被冷却到接近绝对零度，就会跳出日常的物理规律，出现玻色-爱因斯坦凝聚这类奇妙的宏观量子现象。无序乱跑的原子，变成整齐划一的“量子仪仗队”。
北京大学电子学院陈徐宗教授于2013年在欧洲航天局会议上提出两级冷却方案，将原子冷却至pK温度
以往科学家更多采用原子芯片磁阱路线，2021年，德国汉诺威莱布尼茨大学的团队通过地面落塔方式，把纪录推到38皮开尔文，自由膨胀时间达到2秒；2022年美国宇航局的冷原子实验室成功把铷原子冷却到52皮开尔文。
这次，中国团队选择了难度更高的全光阱冷却技术。全光阱在空间环境中更易实现多光束精确控制，便于后续进行更多的科学实验，它对磁场干扰不敏感，与多种量子模拟实验具有兼容性，在工程可靠性与科学扩展性方面更具优势，实现了最低温和自由膨胀时间的双突破。
北京大学电子学院教授周小计介绍，为实现这一目标，几代科研人员接续攻关，项目从论证到在轨取得成果整整走过了15年。
中国空间站超冷原子物理实验柜使用了两个嵌套的光学双极势阱。在装置中，两束激光的强烈相互作用会对原子产生电偶极力，从而将其吸引过来。研究人员首先在一个直径为 54 微米的势阱中捕获了大约200万个铷原子，此时激光的功率达到了5瓦特。当功率降低到0.2毫瓦特时，那些能量较高的原子就会逸出，最终使剩下的20000个原子冷却到3纳开尔文的温度。
然后，研究人员让这些原子进入一个更宽敞的、半径为 124 微米的势阱中。这种扩展使得原子机械能和相互作用能大大减弱，从而进一步降低了原子的温度。北京大学电子学院教授、超冷原子物理实验柜首席科学家陈徐宗解释道：“我们保持原子的数量不变，只有相互作用的能量发生了变化。”最终，这些原子几乎不再移动，其速度小于每秒100微米——相当于温度达到了10皮开尔文。
微重力环境下两阶段冷却方案示意图。Chen and Fan, Reports on Progress in Physics (2020)
零重力与超低温的结合使得这些原子变得异常顺从。当研究人员将玻色—爱因斯坦凝聚体（BEC）从势阱中释放出来后，他们能够观察到云团的膨胀过程，持续时间达到了前所未有的 7 秒钟。北京大学电子学院熊炜说，7秒的观测窗口相比地面观测窗口提升百倍，给捕捉微弱的新奇物理现象留出充足时间。
向绝对零度迈进
《科学》审稿人评价：祝贺作者通过在轨空间原子实验中使用光学偶极阱，取得了迄今为止最冷的原子气体。这一成果是超冷原子精密操控领域的重要里程碑，也为基于光偶极阱的空间量子实验开辟了新的可能性。
2001年因玻色爱因斯坦凝聚而获得诺贝尔物理奖的麻省理工大学沃夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）说：“这是超冷原子领域的一项重大成就，这一成就是一个很好的起点，可以推进原子温度测量和精密测量。”
昔日的纪录保持者也对中国方案表示了惊叹和祝贺。“我祝贺这些科学家”，汉诺威莱布尼茨大学量子物理学家恩斯特·拉塞尔（Ernst Rasel）说，“我印象非常深刻。”
巴黎北索邦大学的物理学家埃莱娜·佩兰（Hélène Perrin）指出，这一成就为新的研究提供了机会。在磁捕获方法中原子必须具有相同的内部自旋状态，而光学方法可以同时捕获具有不同内部状态的原子。通过施加磁场，“至少对于某些原子种类来说，可以调节不同状态原子之间的相互作用”，这极大地促进了超冷气体的研究。
“7秒这个时间尺度比10皮开尔文更为重要，”加州大学伯克利分校的原子物理学家霍尔格·穆勒说道。如此长的扩展时间非常适合基于干涉效应的实验，用来测试引力是否对各类原子都有影响。
这份成果不只是实验室里的数字。在科学意义上，这一成果未来可探索用于解决极低温下量子气体的相变、非平衡动力学、量子多体关联等基础物理问题，推动对早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿课题的研究；在应用意义上，超低温原子可用于更高精度的原子干涉仪、量子传感器和空间时频基准，服务于地球重力场测量、惯性导航及基本物理常数检验，未来将有助于提升我国在空间量子科技领域的国际竞争力。
团队接下来计划制造一种“光学晶格（optical lattices）”，在这种结构中，BEC中的原子被限制在一系列激光交点中，这些激光交点就像晶体中的离子，而原子则像流经其中的电子一样，这或许能够模拟类似高温超导现象。北京大学的物理学家周小计表示，实验中达到的这一低温水平将大大减少系统中的噪声。
首战告捷，中国冷原子实验未来还将继续进行一系列量子模拟实验、精密测量与物理定律验证。陈徐宗教授希望积极吸引优秀年轻理论和实验科学家，参与建立稳定的研究队伍，积极推动我国空间站冷原子实验的科学和技术进步。中国载人航天工程空间应用系统总指挥、中国科学院空间应用工程与技术中心副主任王强和中科院上海光机所书记、超冷原子柜总指挥陈卫标研究员表示，他们欢迎全世界科学家，利用中国空间站这台顶尖超冷原子实验平台进行实验研究。
来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学电子学院、新华社
文字&编辑 | 吴卓颖、张矣可
图片 | 受访者提供
排版 | 刘芮佳
责编 | 雪城
