中国科学家在空间站将铷原子云冷却至9.7皮开尔文，刷新人工物质最低温纪录，并实现长达7秒的量子态观测。
中国科学家利用中国空间站上的超冷原子物理实验装置，将一团铷原子云冷却至仅比绝对零度高9.7皮开尔文(pK)，相当于0.0000000000097开尔文，创造了人工物质超低温的新世界纪录。相关研究于11月6日在《Science》发表，论文题为《太空中低于10皮开尔文的量子气体》。
绝对零度为零下273.15摄氏度，是热力学温度的理论下限。物理学家长期致力于让物质尽可能接近这一极限，因为温度越低，原子的热运动就越缓慢，量子力学效应也越容易被精确观测和操控。当原子冷却到极低温度时，还可能形成玻色-爱因斯坦凝聚态，表现出不同于常温物质的集体量子行为。
此前，德国不来梅大学研究人员于2021年利用落塔微重力环境实现了38皮开尔文的低温。2022年，NASA在国际空间站的冷原子实验室实现了52皮开尔文。中国团队此次将纪录进一步降低至9.7皮开尔文，同时把超冷原子云的观测时间延长至7秒。
这一进步很大程度上得益于太空中的微重力环境。在地球上，研究人员通常使用磁场或激光形成的势阱约束原子，并逐渐减弱约束，让原子进一步冷却。然而，重力会限制势阱能够减弱的程度，使原子更容易逃逸。空间站中的微重力环境则允许科学家大幅降低约束强度，而不必担心原子迅速脱离控制。
中国团队采用了与以往国际实验不同的全光学囚禁技术，利用精确控制的激光束捕获和冷却原子，再结合蒸发冷却和原子云膨胀过程，使其等效温度最终降至10皮开尔文以下。这种方法对磁场干扰的敏感性较低，也为未来实验提供了更大的灵活性。
极低温下，原子云的膨胀速度只有每秒几微米。此前地面实验的典型观测时间约为0.05秒，国际空间站相关实验约为1秒，而中国空间站将这一时间延长到了7秒。研究人员认为，更长的观测窗口有望使原子干涉仪的测量精度提高一个数量级。
实验装置安装在2022年发射的梦天实验舱内，由中国科学院上海光学精密机械研究所等机构参与研制。工程团队将原本占地约20立方米、重约10吨的实验设备，集成为体积仅0.7立方米、重约500千克的自动化太空实验系统。
除了创造低温纪录，这项技术还可能帮助科学家研究量子相变、多体量子系统和基础物理规律。未来，超冷原子实验有望推动高精度量子传感器、原子干涉仪和空间测量系统的发展，为卫星轨道测定、地球重力场探测，以及冰川和洋流变化监测提供新的技术手段。
研究意义与限制： 这项成果的核心价值不仅在于刷新温度纪录，更在于获得了更长的超冷原子观测时间。不过，相关导航、地球观测和基础物理应用目前仍属于潜在方向，并非已经实现的技术成果。另外，9.7皮开尔文指的是稀薄原子云的等效温度，而不是整个实验装置或空间站的环境温度。
原文：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea5324