近日，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），较室温降低了14个数量级，并可持续观测7秒。这打破了人类迄今为止的低温纪录，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。相关成果于北京时间6日在线发表于国际顶尖学术期刊《科学》。
项目由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头，负责论证、管理和集成，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。上海光机所作为工程总体，负责超冷原子物理实验柜的研制工作。中国空间站超冷原子物理实验柜项目从2011年开始论证，到2022年研制成功，并随“梦天”舱发射。向绝对零度迈进，是物理学界持续百年的挑战。此次实验结果超越国际同行，表明目前我国已达到国际冷原子物理相关实验技术一流水平，证明了中国空间站冷原子物理实验平台的创新性和优越性。
在空间站微重力环境下，只需极弱的束缚就可完成冷却过程，温度能够降至更低，且可持续观测时间更长。利用中国空间站超冷原子物理实验柜，中国科学家率先采用全光阱“囚禁”原子云，降低光强进行蒸发冷却，以降低原子云温度，再用非绝热扩散进行深度冷却，最终实现低温突破。与国际“磁阱”方案相比，“中国方案”难度更大，但优势更明显。全光阱在空间环境中更易实现多光束精确控制，且对磁场干扰不敏感，对多种量子模拟实验具有兼容性，工程可靠性与科学扩展性更具优势。在科学方案确定后，上海光机所历经多年的艰苦努力，完成了极高真空度物理系统、高功率光纤激光器、长期连续激光稳频、高精度集成物理光机等关键技术攻关，将地面20立方米、重10吨的实验系统集成到0.7立方米、重0.5吨的超冷原子物理实验柜中。超冷原子物理实验柜涉及原子物理学、激光技术、精密光学设计、超高真空技术、自动控制技术、航天工程学等诸多领域，是空间站最复杂的载荷之一。如此复杂精密的仪器还需同时满足航天高集成、低功耗、高可靠性的要求，并通过航天级试验，才能发射到空间站。在轨运行4年以来，超冷原子物理实验柜始终保持良好工作状态，获得了国际最低的原子等效温度，证明了工程研制的成功。
将原子冷却至接近绝对零度，能够使原子的德布罗意波波长变长到可观察尺度（如几百微米），原子云的相干性大大增强，此时，量子效应从微观粒子层面“浮现”为可观测、可调控的物质形态，能够为量子模拟提供纯净、灵活的实验平台，也能够为高精度原子钟、原子干涉惯性测量、量子计算等新兴量子技术提供关键支撑。该成果将帮助研究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。《科学》审稿人认为，“该工作成果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，刷新了超低温纪录”。上海光机所陈卫标研究员为论文共同通讯作者，李唐研究员为论文共同第一作者。
原标题：比室温低14个数量级！中国空间站这台“冰箱”，造出人类已知最冷物质
