一团原子冷至略高于绝对零度
研究团队称，中国科学家在中国空间站梦天实验舱内，将一团铷原子冷却至相当于9.7皮开尔文的温度，并观察其膨胀了7秒。这一成果将异常低的温度与较长的观测时段结合起来，这两个条件有望帮助科学家更精确地测量引力并研究量子行为。
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中国科学院空间应用工程与技术中心于2026年11月6日宣布这一成果。这项题为《太空中低于10皮开尔文的量子气体》的研究已在线发表于《科学》杂志。该中心与北京大学和中国科学院上海光学精密机械研究所共同牵头开展这一项目。
研究团队称，这一成果创下人工物质最低温度纪录。9.7皮开尔文约为不来梅大学团队2021年实现的38皮开尔文的四分之一，也不到美国国家航空航天局冷原子实验室2022年在国际空间站达到的52皮开尔文的五分之一。
1皮开尔文等于1万亿分之1开尔文。因此，这一新纪录相当于比绝对零度高0.0000000000097开尔文；绝对零度对应零下273.15摄氏度。科学家根据释放后原子极其缓慢的膨胀，计算出这一等效温度。该温度描述的是设备内这团微小原子云的运动状态。
实验在距地球约400公里的空间站上进行，利用微重力环境减弱束缚原子的作用力，并让研究人员能够观测原子云更长时间，这是地面上的小型实验室难以做到的。
科学家所说的原子冷却是什么
铷原子通常以不同速度向各个方向运动。冷却会降低一群原子的随机运动。在极低温度和适当密度下，原子可以形成玻色-爱因斯坦凝聚态。在这种状态下，许多原子共享同一个量子态，并表现出集体行为。
凝聚态为研究人员提供了一个更大且可控的系统，用于研究通常与单个粒子相关的效应。科学家无需在快速运动中追踪一个原子，而是可以制备一团有序的原子云，改变其周围环境，并测量它的响应。
实验中的等效温度是根据原子云释放后的扩散速度得出的。原子相对运动极少的云团膨胀得非常缓慢。观测这一膨胀过程有助于研究人员确定与运动相关的能量。
根据热力学定律，绝对零度无法达到。实际目标是尽可能减少原子运动，以揭示微弱效应，并让有用的实验条件维持更长时间。在这项实验中，观测7秒是成果的关键部分。
为什么太空中的7秒很重要
地球引力给冷却实验带来两个相互关联的问题：研究人员减弱原子阱时，引力会把原子向下拉；同时，引力也限制了释放后的原子云能在观测腔室内停留多久。较弱的原子阱有助于冷却，却也更难抵抗引力、支撑原子。
空间站和其中的实验设备一同绕地球自由落体，由此形成微重力环境，使原子能够在较弱束缚下停留在设备附近。科学家因而可以进一步冷却原子，并更长时间地观测其膨胀。
麻省理工学院物理学教授、2001年诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·克特勒解释了在地球上开展一项持续7秒的实验所面临的难题：
在地球上，它会下落约250米，实际上会撞到地面，除非你有一座250米高的真空室。
轨道实验室通过一台紧凑设备提供了这样较长的观测机会。地面研究人员远程操作设备，借助自动控制执行经过精确计时的冷却流程。
激光如何形成原子阱
设备以约5克金属铷作为原子来源。实验流程从加热金属、释放蒸气开始。随后，激光和磁场捕获并初步冷却蒸气中的原子，研究团队再将它们转移到由激光形成的原子阱中。
研究人员采用两级交叉光学阱。在光学阱中，经过精细布置的激光束会产生作用力，将原子束缚在一个小区域内。降低光强会使原子阱变浅，让能量较高的原子逃逸。留下的原子平均能量更低，这一过程称为蒸发冷却。
最后阶段采用非绝热膨胀，通过受控改变束缚条件让原子云膨胀，进一步降低与其有效温度相关的运动。各个阶段结合起来，将铷原子云冷却到10皮开尔文以下。
微重力也带来了技术难题：光学阱中的蒸发冷却效率变低。研究团队开发了一种利用额外磁场梯度辅助这一过程的方法。磁场梯度是指磁场强度随空间位置发生变化。该方法制备出了纯度较高的凝聚态。
光学阱仍是高级冷却阶段的核心工具，磁场则辅助部分制备过程。要协调好这些环节，需要精确控制激光强度、时序以及周围环境的扰动。
不同于国际空间站的技术路线
美国国家航空航天局的冷原子实验室采用原子芯片形成的磁阱、射频蒸发冷却，以及通过短脉冲实现的最后冷却技术。中国团队则选择了光学束缚、通过调节光强控制蒸发冷却，并利用膨胀实现深度冷却。
研究人员表示，光学阱具有较大的灵活性，适用于未来实验，并能降低束缚过程中对磁干扰的敏感度。多束激光还可以形成适用于量子模拟的结构，让可控原子系统重现另一种物理系统的某些特征。
此前的纪录提供了两项参照。2021年，不来梅团队在落塔中利用短暂的微重力环境实现了38皮开尔文。国际空间站上的实验于2022年达到52皮开尔文。中国报告的9.7皮开尔文，约为不来梅纪录的3.9分之一，也约为此前轨道实验纪录的5.4分之一。
这项新实验不仅实现了这一温度，还观测了原子云膨胀7秒。对于准备开展精密实验的研究人员来说，能够长时间保持缓慢运动并持续观测的原子云，可能比单纯创下温度纪录更有用。
从实验室房间到轨道机柜
地面设备占地约20立方米，重约10吨。工程资料显示，集成后的轨道机柜体积约0.7立方米，重500公斤。该中心在公布成果时还称，设备体积不到1立方米，重约300公斤，功率约700瓦；对于所引述的重量差异，尚无解释。
根据详细工程数据，轨道系统的体积约为地面系统的二十九分之一，重量为其二十分之一。要实现这一缩减，激光器、精密光学元件、真空设备和电子控制系统必须在严格受限的空间内协同工作。
研发人员采用了激光系统光纤连接、精密激光控制、超高真空、自动化电子设备和振动隔离技术。真空环境可减少与非目标气体粒子的碰撞，而隔振则能限制可能扰乱脆弱原子云的机械扰动。
该机柜还采用模块化设计。研究人员可以为不同研究选择实验模块和时序方案，让同一平台支持多种量子研究，而不只是进行一次冷却演示。
发射前的一项关键突破
项目于2011年启动初步评估，远早于设备进入轨道。2021年底，团队多次未能制备出后续冷却阶段所需的玻色-爱因斯坦凝聚态，遇到了关键难题。
在决定是否将设备纳入计划中的飞行任务之前，研发人员争取到额外10天来解决问题。他们对整套系统的硬件和软件进行了测试和调整。2022年1月8日凌晨，凝聚态终于出现，为发射扫清了一项关键障碍。
主要里程碑跨越十余年：
- 2011年：空间站超冷原子实验启动初步评估。
- 2021年底：凝聚态制备遇到困难，可能影响设备按计划搭载飞行任务。
- 2022年1月8日：经过紧张的故障排查，团队成功制备出所需的凝聚态。
- 2022年：实验设备搭乘梦天实验舱前往空间站。
- 2026年11月6日：9.7皮开尔文的成果公布，相关研究在线发表于《科学》杂志。
北京大学教授周晓继和中国科学院上海光学精密机械研究所研究员陈卫标是论文的共同通讯作者。论文列出的共同第一作者包括上海光机所的李唐，以及北京大学的熊伟和金圣杰。
更长时间的测量有望揭示更微弱的效应
原子干涉仪是有望从这一新平台受益的设备之一。它利用原子的波动性质，将原子波分开后再重新合并，所得图样可以揭示加速度或引力等效应。
德国汉诺威莱布尼茨大学物理学教授恩斯特·M·拉塞尔介绍了这类设备所需的条件：
原子干涉仪非常受益于这样的原子源：它能够提供大量超冷原子，并能让研究人员进行长时间观测。
拉塞尔解释说，干涉仪的灵敏度随原子在仪器中停留时间的平方增加。在其他条件不变时，将这一时间延长一倍，仪器对所测效应的响应可提高四倍。因此，对于极微弱的信号，延长观测时间尤其有价值。
他指出，下一步是研制轨道干涉仪，让原子波在数秒内保持相干分离。相干是指保持波与波之间的关系，使其重新合并时能够产生有用的测量结果。对原子云进行7秒观测，为发展这项能力提供了起点。
研究人员设想的应用包括绘制地球引力图、导航和确定卫星轨道。更精确的引力测量还有助于追踪冰川和洋流的变化，因为水和冰的移动会改变地球的质量分布。
量子实验平台
该光学系统有望支持光学晶格实验。光学晶格是由激光形成的图案，可将原子排列成类似晶体的结构。通过改变排列和相互作用，研究人员可以在受控条件下研究粒子群体的行为。
陈卫标指出，量子相变、多体量子粒子行为以及基础物理理论检验，都可能成为研究方向。项目还列出与早期宇宙相关的模拟、超轻暗物质搜寻以及与希格斯模型相关的研究等拟议方向。
这些都是需要单独设计和测量的未来实验。眼下的成果是获得了极其缓慢运动的原子，并延长了研究它们的时间。研究人员还认为，该平台可能用于空间量子传感器和原子钟。
中国载人航天工程空间应用系统总设计师、空间应用工程与技术中心副主任吕从民邀请全球研究人员利用该设施开展实验，并分享实验机会。相关方尚未公布申请时间表或拟议后续实验的日期。
克特勒将这一成果称为“推进原子测温和精密测量的绝佳起点”。原子测温，即测量原子系统的温度，本身仍将是理解和改进此类实验的关键环节。
要点
- 中国空间站团队报告称，他们将一团铷原子云冷却至相当于9.7皮开尔文的温度，并观测其膨胀了7秒。
- 实验在梦天实验舱内进行，所用设施于2022年发射升空。
- 报告中的温度低于不来梅团队2021年实现的38皮开尔文，也低于国际空间站2022年达到的52皮开尔文。
- 冷却流程结合了光学阱、磁场梯度辅助的蒸发冷却和非绝热膨胀。
- 未来研究方向可能包括量子模拟、原子干涉仪、引力测量和基础物理检验。
