中新网北京11月6日电 (记者 孙自法)基于中国空间站这一国家太空实验室中的“超级冰箱”——超冷原子物理实验柜，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(专业称可自由扩散或自由演化)7秒。

　　这一创造人类低温新纪录、制备出已知最冷人造物质铷原子云的重大成果，标志着中国科学家向物理学界持续百年挑战的绝对零度(-273.15℃，0K)迈进了一大步，相关论文北京时间11月6日凌晨在国际学术期刊《科学》上线发表，备受关注。

　　成果发表前夕，中国科学院空间应用工程与技术中心(空间应用中心)11月5日在北京举行中国空间站重大成果发布会，聚焦已知宇宙最冷点“落户”中国空间站的“十五年磨一剑”攻关历程，以及该成果在科学、应用层面的重要意义与深远影响，邀请“超级冰箱”团队进行科普解读。

　　集智攻关“超级冰箱”

　　中国空间站“超级冰箱”项目是在中国载人航天工程办公室、中国科学院等支持下，由中国科学院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(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中心副主任王强表示，中国空间站超冷原子物理实验柜项目从2011年开始论证，2022年研制成功、随梦天舱发射，到如今取得重大突破，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。

　　论文共同通讯作者、北大电子学院教授陈徐宗表示，中国科学家在国际上提出蒸发冷却加非绝热扩散冷却的两级冷却方案，最终得到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，达到几十微米/秒，其在空间站具有很长的观察时间，比地面长两个数量级以上。

　　2022年，中国空间站梦天实验舱成功发射，由中国科学院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”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，再进行蒸发冷却和深度冷却。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。

　　论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜和金圣杰认为，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。中国空间站的实验结果，未来在应用方面有望将干涉仪的精度提高一个量级。

　　中国方案优势明显

　　项目团队介绍，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，中国科学院上海光机所攻坚克难，完成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。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，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，也证明工程研制的成功。

　　中国科学院上海光机所完成超冷原子物理实验系统工程研制后，中国科学院空间应用中心系统总体“接棒”攻关，开展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。

　　助力前沿基础研究

　　“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。”论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授周小计说。

　　在论文共同通讯作者、中国科学院上海光机所研究员陈卫标看来，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，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。

　　陈卫标指出，从科学意义上来说，中国空间站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，推动早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿研究；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，未来将有助于提升中国在空间量子科技领域的国际竞争力。

　　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，这次破纪录的9.7pK低温不是终点，它是一扇门，门后面，是原子被“冻”到几乎静止之后，那个可以观测和调控的量子世界；再往后，还有一个更大的追求——对物质世界最深层规律的追问。

　　极低温下，量子效应主导一切，新的物态不断浮现，对基本物理定律的检验、对暗物质的探寻、对时间与重力的更精确测量，都可能在这里取得突破。

　　“中国空间站是国家太空实验室，同时我们希望把超冷原子物理实验柜建成一个长期稳定运行、开放共享的国际一流实验平台。它面向所有需要用极低温量子气体开展研究的科学家，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。(完)