宇宙已知最冷点在中国空间站！看10吨实验系统如何“瘦身”为0.7立方米实验柜

近日，中国科学院空间科学与应用总体部举行中国空间站重大成果发布会，宣布在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），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——铷原子云，标志着中国科学家向绝对零度迈进一大步。

大众新闻记者从发布会现场了解到，该项工作成果论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》的论文于11月6日在线发表于国际期刊《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，代表了超低温膨胀领域当前最高水平”。

该项目在中国载人航天航天工程办公室、中国科学院的领导支持下，在一批院士专家的指导下，在工程各大系统大力协同下，由中国科学院空间应用工程与技术中心（以下简称“空间应用中心”）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（以下简称“上海光机所”）联合完成。

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（主持工作）王强表示，“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、随‘梦天’舱发射，如今取得重大突破，历时15年。这是系统总体、科学团队、工程团队集智攻关、团结协作的结果。”

到空间站上去，才能把原子温度降到更低

原子在永不停歇地做无规则热运动‌，人们难以捕捉和观测它。其温度的降低意味着运动速度的减慢，这和词语“冷静”的意思不谋而合：冷了，也就静下来了。反之亦然，静下来，温度才会降低。但是，把原子关在家用冰箱里（-18℃，255.15K），根本不可能让它安静下来。只有降低至接近温度的下限——绝对零度（-273.15℃，0K）时，原子才被“冻”到几乎静止。

当原子温度被降低至接近绝对零度（缩小至纳开尔文量级甚至更低时）、且密度足够高时，它会呈现如玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象。简言之，此时原子们不再无规则地乱跑，而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。

为了实现这个目标，理想方案是造出一个能将温度降低至绝对零度的“超级冰箱”，通过它不断降低原子运动速度，直至静止不动。但在100多年前，德国化学家能斯特（Nernst）提出的热力学第三定律告诉我们，“绝对零度永远不可能达到”，他因此获得1920年诺贝尔化学奖。其后，“向绝对零度迈进”就成为了物理学界长达百年的挑战目标，在这漫长的道路上先后授予了五次诺贝尔物理奖，每一次都是通过新的技术方案，将温度降低几个数量级。

国际科研机构都在关注如何能够在量子气体上实现更低的温度。

2021年，德国不来梅大学科研团队在落塔微重力环境中，通过原子芯片磁阱技术加脉冲冲击冷却方案，将铷原子云的等效温度降至38皮开尔文（pK，1pK=10-12K），这是此前人类创造的最低温度纪录。2022年，国际空间站上的冷原子实验室（CAL）利用相似的技术实现了52pK的原子等效温度。

论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授陈徐宗表示，北京大学从2004年在实验室获得了温度为100nK“超冷原子”——玻色-爱因斯坦凝聚体。研究发现，在地球上进行原子冷却实验时，原子云会被束缚在磁场或光场形成的容器（也称偶极阱）中，重力的影响会将原子从容器的底部拉出，而通常采用的蒸发冷却需要降低这种束缚原子容器的高度，重力的影响使得这种容器高度的降低受到限制。而在空间站微重力情形下，由于没有重力的影响，这种束缚原子容器的高度可以降得很低，在理论上保证了原子可以进入pK温度区域。另外，冷却的玻色-爱因斯坦凝聚体除了有热动能之外还有相互作用能，因此，冷却是要将两部分的能量都同时降低。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，最终得到了10pK的最低温度。在这种极低温的条件下，原子的自由扩散速度很慢，到了微米/秒量级，因此在空间站具有很长的观察时间，比地面要长3个数量级。

“向绝对零度迈进，是物理学界持续百余年的挑战。在这条探索道路上，低温研究和冷却技术的相关成果，至少5次获得诺贝尔物理学奖。新的冷却方法不断拓展可探索的温度范围，也让新的量子现象逐步显现。空间站的微重力环境使得原子可以捕获在低于1赫兹的阱中，从而为我们开展极低温原子的量子模拟和量子精密测量提供了可能。”论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授周小计说。

温度较室温降低14个数量级，可持续观测7秒

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，中国科学家们打破了人类低温纪录。

这一“超级冰箱”，同时又是一个全自动的“微型实验室”。在这里，5克金属铷先经过加热蒸发、释放出铷蒸汽。借助磁光阱、光学黏团技术对蒸汽中的铷原子进行初步冷却，再利用两级交叉光阱技术进行深度冷却。最终，科学家们成功将铷原子云的等效温度降至9.7pK，较室温降低了14个数量级，可持续观测7秒。

微重力下，光阱蒸发冷却效率降低，此前国际上尚无通过这一过程在轨制备凝聚体的先例。针对这一难题，团队提出梯度力辅助的新方案，实现了高效蒸发冷却，获得了高纯度凝聚体。同时，极低温原子实验对振动等微小扰动尤为敏感，而在轨条件又限制了反复调整。团队通过光学、电学系统的精密设计与制造，保障了实验所需的稳定性与调控精度。

论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜、金圣杰认为：“温度从室温的几百K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，这对物理学的研究至关重要。此前在地面极低温下，地面上仅能观测原子0.05秒左右，在国际空间站上能观测2秒。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。中国空间站将观测时间延长至7秒，未来在应用方面有望将干涉仪的精度提高一个量级。”

极限“瘦身”：从20m³到0.7m³、从10吨到0.5吨

事实上，进行深度冷却时，“中国方案”与国际方案采用了不同的技术路线。

国际方案采用原子芯片形成的微磁阱“囚禁”原子云，用射频蒸发冷却降低原子云温度，最后用脉冲冲击进行深度冷却。

与其相比，“中国方案”采用了全光阱“囚禁”原子云，降低光强进行蒸发冷却降低原子云温度，最后用非绝热扩散进行深度冷却，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。

“中国方案”适合构建光晶格——一种用激光制造的“人造晶体”，可以模拟凝聚态物理中难以直接观测的量子现象。因此，中国空间站超冷原子实验柜的科学目标则更聚焦于量子模拟、量子新物态、基本物理理论检验等，更像“太空中的量子宇宙模拟器”。

在科学方案确定后，上海光机所历经艰苦努力，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20m³、重10吨的实验系统集成到0.7m³、重0.5吨的超冷原子物理实验柜中。这相当于，一间房子那么大的实验系统被压缩至一个冰箱大小，一头鲸鲨“瘦身”成了一只熊。

论文共同第一作者、上海光机所研究员李唐表示，“工程的挑战性在于，在航天级严苛要求下把多项尖端的技术集中实现。超冷原子物理实验系统涉及原子物理学、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。如此复杂精密的仪器还需满足航天高集成、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。超冷原子物理实验取得目前的结果，也证明了工程研制的成功。”

上海光机所完成超冷原子物理实验系统工程研制后，空间应用中心系统总体“接棒”攻关，开展了超冷原子物理实验系统在科学实验柜的整柜集成和系统测试。

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：“我们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。此次实验结果超越了国际同行，这表明目前我国已达到国际冷原子物理相关实验技术先进水平。”

新闻发布会上，吕从民表示：“今天，我们欢迎世界各地的科学家，利用中国空间站的超冷原子物理实验柜进行实验研究，我们将尽最大努力保障设备安全平稳运行，共享实验平台，开放科学数据，共同为人类科技进步作出新的贡献。”

将用于暗物质探测、精密测量、量子模拟等前沿基础研究

“当相关原子的运动被限制住，我们便能轻易操控它。如果把光阱做成六边形，像蜂巢一样，每个阱里囚禁住一个或多个原子，我们就能在量子尺度上模拟材料的微观结构。通过改变光强、晶格空间构型、物质组分等条件，我们可以在新的参数区间去模拟这些物理规律，揭示新的特性。”周小计说。

论文共同通讯作者、上海光机所研究员陈卫标介绍，“这是一个极为典型的空间科学、技术和工程充分结合的项目。从科学意义上来说，中国空间站的这一超冷原子物理实验平台，将帮助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、低维量子物理等基础物理问题，推动对早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿课题的研究；从应用意义上来说，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。”

陈卫标表示：“目前，欧美已经布局利用超冷原子干涉技术构建空间重力梯度仪的任务用来观测重力场，构建高时空分辨率的地球重力场模型。以此研究地球内部和外部物质运动状态及动力学机制、地球物理环境及其变化等重要信息，并应用于未来全球水循环监测、冰川洋流变化、高程基准统一、航天器精密定轨等领域。此次研究成果将有助于相关仪器精度的提升，服务未来空间重力测量任务。”

（大众新闻记者 董婉婉 金芮宏）