近日，中国科学院空间应用工程与技术中心宣布，在我国空间站超冷原子物理实验柜中，中国科学家率先利用全光阱冷却技术，成功将铷原子云的等效温度降至 9.7 皮开尔文（pk），也就是千亿分之一开尔文，较室温降低了 14 个数量级，并可自由扩散 7 秒。这打破了人类此前的低温纪录，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迈进一大步。

11 月 6 日，相关成果在线发表于国际顶尖学术期刊《科学》。审稿人认为：" 该工作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。"

该项目由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头论证管理集成、北京大学与中国科学院上海光学精密机械研究所联合完成。从 2011 年开始论证，到 2022 年研制成功、随 " 梦天 " 舱发射，再到如今取得重大突破，前后历时 15 年。

到空间站去，才能让原子更 " 冷静 "

原子永不停歇地做着无规则热运动‌，人们难以捕捉和观测它。降低温度意味着放慢运动速度，原子冷了，也就静下来了——只有降低至接近绝对零度（-273.15 ℃）时，原子才会被 " 冻 " 到几乎静止。

此时，当原子密度足够高时，它们会呈现如玻色 - 爱因斯坦凝聚等宏观量子现象——如同形成了一支整齐划一的 " 仪仗队 "。这有助于科学家们研究前沿物理问题，开展精密测量、量子计算、量子模拟等领域的研究应用。

为实现这个目标，理想方案是造出一个能降温至绝对零度的 " 超级冰箱 "。但热力学第三定律告诉我们 " 绝对零度永远不可能达到 "。那么，是否可以无限接近呢？物理学家为此不懈挑战了百余年。2021 年，德国科学家将铷原子云的等效温度降至 38pk，刷新了人类创造的低温度纪录。

论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授陈徐宗表示，北京大学于 2004 年在实验室获得了温度为 100 纳开尔文的 " 超冷原子 " ——玻色 - 爱因斯坦凝聚体。然而，在地球上进行原子冷却实验时，原子云会受重力影响被束缚，但在空间站微重力情形下，可在理论上保证原子进入 pK 温度区域。

除了热动能，冷却的玻色 - 爱因斯坦凝聚体还有相互作用能。由此，他们在国际上提出了两级冷却的方案，即蒸发冷却加非绝热扩散冷却，最终可得到 10pK 的最低温度，在空间站的观测时间可比地面长 1000 倍。

把一头鲸鲨 " 瘦身 " 成一只熊

2022 年，中国空间站 " 梦天 " 实验舱成功发射，由上海光机所牵头研制的超冷原子物理实验系统，正是一个能将温度极限降低的 " 超级冰箱 "。4 年后，利用这一实验系统，中国科学家打破了人类低温纪录。

这个 " 超级冰箱 " 是一个全自动的 " 微型实验室 "。在这里，5 克金属铷经过多个实验步骤的深度冷却，最终将铷原子云的等效温度降至 9.7pK，可持续观测 7 秒——此前在地面极低温下，仅能观测 0.05 秒左右，在国际空间站上也只有 2 秒观测时间。 

为了实现极限冷却，" 中国方案 " 采取了与国际方案采用了不同的技术路线，用全光阱 " 囚禁 " 原子云。尽管难度更大，但优势更明显。而且，" 中国方案 " 还可模拟凝聚态物理中难以直接观测的量子现象，使得超冷原子实验柜更像是太空中的量子宇宙模拟器。

方案确定后，上海光机所完成了一系列高难度关键技术攻关，将地面上占地 20 平方米、重 10 吨的实验系统，集成到 0.7 平方米、仅重 0.5 吨的超冷原子物理实验柜中——相当于把一头鲸鲨 " 瘦身 " 成一只熊。在论文共同第一作者、上海光机所研究员李唐介绍，在航天级严苛要求下，团队将多项尖端技术集中实现，" 超冷原子物理实验取得的结果，也证明了工程研制的成功 "。

提升我国空间量子领域国际竞争力

" 绝对零度永远不可到达，但人类迈向它的脚步，永远不会停歇。" 中国载人航天工程空间应用系统总设计师、空间应用中心副主任吕从民表示，中国科学家联合工程团队 15 年磨一剑，完成了从基础研究到工程实现的跨组织、体系化攻关，取得国际最好指标，表明我国已达到国际冷原子物理相关实验技术一流水平。

论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜、金圣杰则认为，温度从室温降到 10pK 以下，每一次量级的改变都意味着物质将呈现出完全不同的性质和形态，这对物理学研究至关重要。同时，可持续观测时间越长，越有助于发现新的、更微弱的物理现象。

论文共同通讯作者、上海光机所研究员陈卫标认为，该项目有助于提升我国在空间量子科技领域的国际竞争力，研究成果将助力提高相关仪器精度，服务未来空间重力测量。