一团2万个原子创下新纪录
中国研究人员在天宫空间站将约2万个铷原子冷却至相当于9.7皮开尔文的温度，即比绝对零度高9.7万亿分之一度。随后，研究团队追踪释放后的原子云，观察其膨胀了7秒，从而获得更长的窗口来研究量子物理，并开发精密重力测量技术。
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这项成果发表于11月5日在线刊发于《科学》杂志的论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》，将此前由德国一项2021年实验报告的38皮开尔文纪录进一步刷新。此前，美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站上的冷原子实验室曾达到52皮开尔文。
中国科学院在其原子冷却公告中称，根据研究团队的说法，这一成果创下了纪录。来自北京大学、中国科学院上海光学精密机械研究所，以及中国科学院空间应用工程与技术中心的研究人员在天宫空间站梦天实验舱内开展了这项工作。
这一中心估值的不确定范围为7.0至12.9皮开尔文。科学家根据原子云释放后扩散的速度计算出这一数值。该温度反映的是原子膨胀运动的情况；实验机柜、航天器和周边设备的运行温度都要高得多。
7秒听起来或许很短，但在普通实验室中，释放的原子很快就会落出视野。天宫空间站的环境使原子云得以缓慢膨胀，并相对于实验装置漂浮，让研究人员有时间测量在地球上难以追踪的行为。
9.7皮开尔文意味着什么？
绝对零度为0开尔文，相当于零下273.15摄氏度。开尔文温标从这个下限开始，因此适合比较极低温度。1皮开尔文是1万亿分之1开尔文。
报告中的9.7皮开尔文是一种有效温度，也称等效温度。研究人员从两个方向拍摄膨胀中的原子云，测量其在三维空间中的扩散速度，再将与这种运动相关的能量换算为温度。原子云膨胀得越慢，等效温度就越低。
大爆炸留下的微弱辐射温度约为2.7开尔文。用这一数值除以9.7万亿分之1开尔文，结果约为2800亿。这是将原子云描述为比宇宙背景辐射冷约2800亿倍的依据。
此前38皮开尔文的纪录约为这一新的中心估值的3.9倍。这些实验使用了不同的陷阱和冷却流程，因此数值对比只是近似值。天宫空间站的这一结果尚未得到独立重复验证。
原子如何开始像一个整体波那样运动
研究人员将铷-87这一特定形态的铷制备成玻色-爱因斯坦凝聚态。这种状态常被称为物质的第五态；当许多原子占据同一个量子态并表现出集体行为时，就会形成这种状态。
萨特延德拉·纳特·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪20年代提出了这一现象背后的理论。科学家于1995年首次在稀薄原子气体中制备出玻色-爱因斯坦凝聚态。如今，这类凝聚态使物理学家能够研究量子行为，而且原子数量足以通过成像观测。
量子力学认为，物质既具有波的性质，也具有粒子的性质。在凝聚态中，这些波动性质会在整个原子云中形成有序状态。研究人员由此可以操控共同的物质波，而不必试图追踪数千个互不相关的原子运动。
利用光和可控逸出进行冷却
天宫空间站上的实验从约200万个铷原子开始。交叉激光束形成光偶极阱，将原子束缚在其中。降低激光功率会削弱阱的束缚，让能量最高的原子逸出。
这一过程称为蒸发冷却。其基本原理与饮料通过蒸发降温相似：能量最高的分子逸出后，剩余粒子的平均能量会降低。
在最后几步冷却之前，实验获得了约2万个原子，温度约为3纳开尔文。更详细的中间阶段数据显示，样本约有2.3万个原子，温度为3.1纳开尔文，其中约89%占据了凝聚态的共同量子态。这些数据描述的是制备的较早阶段，并非最终膨胀测量的结果。
微重力环境也带来了独特难题。在地球上，重力有助于将能量较高的原子引向阱中的逸出路径。失去相对于装置的向下拉力后，蒸发冷却的效率会降低。研究人员加入了一个较弱的磁场梯度，即随位置变化的磁场，以帮助移除能量较高的原子。
剩余的原子云随后转移到一个更宽、束缚更弱的光阱中。最终步骤在约1.175秒内降低了束缚，并包含一次非绝热膨胀，即通过改变阱来重塑原子云的运动。原子释放后，以相当于9.7皮开尔文的能量扩散开来。
为什么轨道环境能实现7秒观测
天宫空间站仍处于地球引力作用之下。它看似失重，是因为它持续绕地球自由落体：空间站、实验装置和原子一同下落。科学家将这种环境称为微重力。
在地面上，极弱的阱很难抵抗重力、将原子束缚住。增强束缚有助于防止原子逸出，但会让最终冷却更加困难。在轨道上，研究人员可以大幅减弱阱的束缚，同时让原子云保持在实验区域内。
麻省理工学院物理学教授、2001年诺贝尔奖得主沃尔夫冈·克特勒解释了在地球上观测7秒会遇到的实际难题：
在地球上，它会下落约250米，所以除非你有一座250米高的真空室，否则它会直接撞到地面。
有效的对比取决于实验装置。研究人员称，普通地面实验观测释放后的原子云约为0.05秒。此前使用落塔的实验实现了约2秒的自由膨胀。因此，天宫空间站上的7秒约为普通实验室观测时长的140倍，也是此前落塔观测时长的3.5倍。
2021年创下纪录的实验由不来梅大学开展，借助落塔实现了短暂的失重环境。轨道环境能提供更长的实验机会，因为实验会持续绕地球下落，而不是到达塔底。
压缩进机柜的实验室
冷原子物理实验机柜体积约为0.7立方米，重量约500千克。其地面实验装置占地约20立方米，重约10吨。空间实验设备的体积约为地面装置的二十九分之一，质量约为二十分之一。
该机柜集成了激光器、精密光学元件、超高真空系统和自动控制装置。真空环境可避免杂散气体粒子与超冷原子碰撞，控制系统则确保按照精确时序完成制备和释放原子云的步骤。
中国科学院上海光学精密机械研究所研究员汤莉描述了一项涉及20多束激光的对准任务。它们必须汇聚在一团直径仅数十微米的原子云上，误差不得超过5微米。1微米是1毫米的千分之一。
该设备还必须经受发射过程，在航天器的供电限制下运行，并在轨道上保持精度。从最初的可行性研究到成果发表，整个研发过程历时约15年。
- 2011年：空间设施的初步评估启动。
- 2021年：一项利用不来梅落塔的实验将此前纪录刷新至38皮开尔文。
- 2022年：中国的实验设施随梦天实验舱发射升空。
- 2026年11月5日：天宫团队的论文在《科学》杂志在线发表。
更长时间的观测有望改进重力测量
原子干涉仪是可能从这项实验中获益的仪器之一。它将原子的物质波分成不同路径，再使这些路径重新汇合。各路径上累积的差异会产生干涉信号，从而揭示微小的加速度或重力效应。
德国汉诺威莱布尼茨大学物理学教授、其团队曾创下此前温度纪录的恩斯特·M·拉塞尔谈到了开展此类测量所需的条件：
原子干涉仪非常受益于能够提供大量原子、形成超冷原子团并实现长时间观测的原子源。
拉塞尔解释说，灵敏度会随着原子在干涉仪中的停留时间的平方而提高。因此，延长测量时间带来的提升，可能远大于仅仅按相同比例增加时间所获得的提升。
他指出，下一步是在轨道上建造干涉仪，让原子波在保持相干分离的状态下持续数秒。相干意味着这些波在重新汇合时仍保留产生有效信号所需的关系。对原子云进行7秒观测，为开发这一能力提供了起点。
这类仪器可以测量地球引力场的变化，或改进对航天器运动的测量。它们还可以比较不同类型原子的下落情况，以检验等效原理这一爱因斯坦广义相对论的基础。该原理指出，排除其他力的影响后，物体在重力作用下的下落方式不受其质量或成分影响。
激光阱为其他量子实验提供路径
天宫团队选择了光学阱，而不是早期创纪录实验使用的原子芯片磁阱。用光束缚原子可以减少磁阱带来的部分限制，也为布置更复杂的激光图案提供空间。
光学晶格是其中一种可能的布置方式。相交的激光束可以形成重复图案，将原子束缚在有序结构中，类似晶体。研究人员可以改变这种结构，并控制原子之间的相互作用。
这种方法可以用于量子模拟：利用一个可控量子系统研究另一个难以直接研究的系统。科学家不必计算复杂材料中的每一次相互作用，而是可以构建原子模型并观察其行为。
中国科学院还指出，探索暗物质模型也是一种可能的方向。一些理论设想涉及假想的超轻粒子，研究人员或许可以通过灵敏的量子测量寻找其影响。重力测绘、导航、量子模拟和暗物质搜寻，都是未来进一步发展的潜在用途。
下一项挑战是打造实用仪器
论文共同第一作者、北京大学研究人员熊伟和金胜杰认为，延长观测时间有助于提高探测较弱物理现象的可能性。让原子云保持低温并持续处于可观测状态，是开展高精度操控实验的基础。
原子数量与温度同样重要。约2万个原子的云团适合研究集体量子行为，而许多精密测量则会受益于更大的样本。研究人员仍需确定，实验设施能否稳定地同时实现更大的原子云、极慢的膨胀和持久的相干性。
光学系统为团队提供了多种可调手段：阱的强度、激光几何布局、磁场梯度和释放时序。要把这些控制手段转化为可靠的测量仪器，还需要反复实验并仔细测量各种干扰。
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”。眼下取得的进展是具体而明确的：在轨道运行的实验系统中，研究人员对一团膨胀速度更慢的原子云进行了7秒测量。
要点
- 天宫空间站上的研究人员报告称，原子的等效温度达到9.7皮开尔文，不确定范围为7.0至12.9皮开尔文。
- 这一结果来自约2万个铷原子的膨胀测量；这些原子被制备成玻色-爱因斯坦凝聚态。
- 此前报告的纪录为38皮开尔文，由德国一项使用落塔的实验创下。
- 团队在微重力环境中对自由膨胀的原子云观测了7秒。
- 该设施于2011年启动研发，并于2022年随梦天实验舱发射升空。
- 未来研究有望开发原子干涉仪、重力测量、量子模拟和基础物理学检验。
