一台柜子，一团原子，一个纪录

9.7皮开尔文，是什么概念？1皮开尔文等于一万亿分之一开尔文。

近日，中国空间站超冷原子物理实验成果发布：我国科学家率先采用全光阱冷却技术，将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文，较室温降低14个数量级，并可自由扩散7秒，打破了人类迄今的低温纪录，制备出目前已知最冷的人造物质。相关论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》在国际期刊《科学》在线发表。

发布会后，大众新闻记者专访了论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授陈徐宗。谈到这一温度，他的判断很直接：这是人类迄今获得的最低温度，也是一个新的世界纪录。

把原子“冻”到几乎不动

温度的本质，是粒子的热运动。原子在永不停歇地做无规则热运动，温度越低，运动越慢。室温约300开尔文，对应27摄氏度；绝对零度是0开尔文，对应零下273.15摄氏度。

而绝对零度在理论上不可达到。100多年前，德国化学家能斯特提出的热力学第三定律给出了这个结论，他也因此获得1920年诺贝尔化学奖。人类能做的，只是无限接近。

冷却比单纯“降温”更复杂。陈徐宗解释，要获得玻色-爱因斯坦凝聚体，除了降低原子的热动能，还要降低原子间的相互作用能。为了这一点，物理学界向绝对零度走了上百年，低温研究和冷却技术的相关成果至少已有5次获得诺贝尔物理学奖。

温度越低，原本被热运动掩盖的量子现象越容易显现。当原子冷到接近绝对零度、密度又足够高时，它们会从各自乱跑，变成步调一致的整体，也就是玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。

在这条路上，中国空间站留下了一个新的坐标。此前的最低温度纪录，是2021年德国团队在不来梅落塔中实现的38皮开尔文；2022年，国际空间站冷原子实验室实现了52皮开尔文。这一次，中国科学家把数字降到了9.7皮开尔文。

7秒，是留给“看清楚”的时间

在地面，原子云释放后大约0.05秒就会扩散得难以观测。在空间站，同一团原子可以自由扩散7秒。

陈徐宗向记者解释，温度越低，原子的扩散就越慢。到了10皮开尔文以下，原子的自由扩散速度降到微米每秒的量级；加上微重力环境里原子不会往下掉，这团原子云才能在镜头中停留7秒。

7秒不是小数点后的零头。观测时间越长，越有可能捕捉到更微弱、更短暂的物理现象。他提到，更长的观测时间还可以直接转化为更高的测量精度。原子干涉仪可以测量重力、加速度和转动，其精度与干涉时间的平方成正比。温度更低、时间更长，能探测到的信号就更细微。

地面实验的瓶颈在重力。全光阱蒸发冷却需要降低光强，让原子带走能量；但光阱一旦变浅，重力就会把原子从阱底拽走。因此，地面用全光方法做蒸发冷却，温度大致止步于10纳开尔文到100纳开尔文。到了微重力环境，光阱可以做得极浅，皮开尔文量级才成为可能。

中国团队采用的是两级冷却：先进行蒸发冷却，再进行非绝热扩散冷却。这正是陈徐宗和团队在国际上提出的方案。两级冷却中，后一步是“临门一脚”。国际方案的最后一步是脉冲冲击，中国方案换成了非绝热扩散，这是两条技术路线最实质的差别之一。

为什么走“光”这条路

国际上主流方案是“磁”：用原子芯片形成的微磁阱囚禁原子，采用射频蒸发冷却，再用脉冲冲击进行深度冷却。中国走的是“光”：全光阱囚禁，降低光强进行蒸发冷却，再用非绝热扩散进行深度冷却。

两条路的差别，不只是手段。陈徐宗解释，全光阱对磁场干扰不敏感，对多种量子模拟实验具有兼容性；更关键的是，全光阱能用来搭建光晶格。

“中国方案”适合构建光晶格。这是一种用激光制造的“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。把原子装进不同形状的光晶格，就像研究材料一样研究量子物态，这需要光场提供足够的自由度。

难度也随之而来。全光阱意味着光束更多、控制更精密。陈徐宗说，这套系统需要送入23路激光，在轨还要把光束对准到微米量级，误差不能超过5微米，大约是头发丝的十分之一。

“这条路，北京大学从2004年就开始走。”陈徐宗表示，那一年，团队在实验室里获得了约100纳开尔文（1纳开尔文等于1000皮开尔文）的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）。2011年空间站应用任务开始论证，2022年实验柜随“梦天”舱进入太空，到今天取得数据，前后历时15年。在地面，实验系统占地20立方米、重10吨；进入太空后，它被装进0.7立方米、0.5吨的实验柜。“一间房子”变成了“一台冰箱”。

《科学》审稿人评价：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，刷新了超低温膨胀的最高纪录。

（大众日报记者 董婉婉 金芮宏）