中国网/中国发展门户网讯（王振红）近日，中国科学院空间应用工程与技术中心举行中国空间站成果发布会，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，标志着中国科学家向绝对零度迈进一大步。该项工作成果论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》于11月6日在线发表于国际期刊《科学》。

图为中国空间站超冷原子实验-冷原子扩散、重叠达到BEC状态。

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。

到空间站上去，才能把原子温度降到更低

将原子冷却至接近绝对零度，能够使原子的德布罗意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，量子规律从微观粒子“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。

图为中国空间站超冷原子实验-冷原子移动到实验舱的过程。

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，温度也能够降至更低，且可持续观测时间更长。

“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，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被捕获在低于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。

2022年，由上海光机所牵头研制的中国空间站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。

《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”。

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。

图为中国空间站超冷原子实验-光阱。

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降低原子云温度，最后用非绝热扩散进行深度冷却，最终获得低温突破。

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。

科学方案确定后，团队历经多年，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。

中国载人航天工程空间应用系统总设计师、中国科学院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。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。”

“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。欢迎大家到中国空间站的超冷原子物理实验柜开展实验研究，共享实验机会，共同为人类科技进步作出新的贡献。”吕从民说。

将用于暗物质探测、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。

图为科研团队。

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。”

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。陈卫标表示：“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。”