中国空间站的“超级冰箱”——超冷原子物理实验柜，成功产出全宇宙已知最冷的物质。我国科研团队率先利用全光阱冷却技术，将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文（pK），较室温降低了14个数量级，并可持续观测7秒。这是目前已知最冷的人造物质，向逼近绝对零度迈进了一大步。11月6日，相关研究成果在《科学》杂志发表。
将科学观测的视角深入原子尺度，原子在永不停歇地进行无规则热运动，人们难以对其进行捕捉和观测。随着环境温度不断降低，原子的运动速度也会减慢，但要想让原子真正安静下来，就必须不断探寻温度的下限——绝对零度。在接近绝对零度的环境下，被“冻住”的原子可能展现出此前难以观测到的量子现象。
然而，向绝对零度迈进，是物理学界持续百年的挑战。“这是一个可望而不可即的温度，根据热力学第三定律，我们只能无限逼近绝对零度，却无法真正到达。”北京大学电子学院教授周小计说，人类对低温的追求，打开了一个全新的物理世界。通过构建势阱“囚禁”住原子并降温，在纳开尔文温区，原子就已不再“乱跑”，而是能步调一致地运动，这被称为玻色-爱因斯坦凝聚态。
而要让温度继续下探，最棘手的难题来自地球。在地面，原子受重力影响会无可避免地下坠，这会导致势阱出现缺口，原子随即便逃之夭夭。于是，科学家将目光投向太空，空间站的微重力环境，让原子只需极弱的束缚就可完成冷却过程，温度能降至更低且可持续观测时间更长，成为超冷原子物理实验的绝佳平台。2018年，国际空间站便利用磁场构建的“笼子”关住原子，对其剥离热量、减缓气体膨胀，实现了52pK的低温气体。
目标相同，路线却迥异。我国科研团队选择了一条全新的技术路线，用便于控制、不易受干扰的激光代替磁场，为铷原子打造全光阱的三维立体“囚笼”。然而，这套方案需要从头构建一套复杂的系统，难度极大。
“激光直径只有几十微米，两束激光还要精准交叉，这就要求我们必须将激光的指向稳定在极好的水平。”中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部副部长李唐回忆，从实验柜单机研发，到组成子系统，再到最终实现集成，团队付出了6年的努力。最终，原本体积达20立方米、重10吨的实验系统，被压缩成了仅0.7立方米、重0.5吨的超冷原子物理实验柜，随梦天实验舱抵达中国空间站。
2025年，一组珍贵的实验数据回传至地面。经过数据处理和测算，科研团队确认，中国空间站“超级冰箱”成功实现了9.7pK的温度环境，铷原子在7秒的观测周期中，几乎实现了“原地不动”。
“在7秒内，处在室温25摄氏度的铷原子已经运动了两公里，而在空间站的‘超级冰箱’里，铷原子的运动幅度不超过500微米。”周小计说，此时，原子的量子规律浮现成为可观测、可调控的物质形态，成为量子模拟纯净、灵活的实验平台。
论文审稿人对这项成果给予了高度评价：“该工作成果是超冷原子精密操控的重要里程碑，刷新了超低温膨胀的最高纪录。”该成果不仅对基础物理研究及空间导航、地球观测等应用有重要价值，还将推动更高精度的原子干涉仪、量子传感器和空间时频基准研究，提升我国在空间量子科技领域的国际竞争力。
“中国空间站是国家太空实验室，我们要将超冷原子物理实验柜建成长期稳定运行、开放共享的国际一流实验平台。9.7pK只是一个开端，后续，我们还将继续在轨开展冷原子物理科学实验，持续追问物质世界的最深层规律。”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工程与技术中心副主任吕从民欢迎全球科学家，利用这个性能顶尖的科研平台进行实验研究，在冷原子物理研究领域凝聚起全世界科学家的智慧。
来源：北京日报客户端
（流程编辑：U072）
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