中國空間站刷新低溫紀錄：銣原子雲降至9.7皮開爾文

11 月 6 日消息，據新華社今日報道，中國科學院空間應用工程與技術中心依託夢天艙超冷原子物理實驗櫃，利用全光阱冷卻技術，將銣原子雲的等效溫度降至 9.7 皮開爾文，較室溫降低 14 個數量級，並實現持續 7 秒的穩定觀測，刷新了人類已知的最低溫度紀錄。

注：皮開爾文是極微小的溫度單位，1 皮開爾文等於一萬億分之一開爾文（1 pK = 10⁻¹² K），而絕對零度（0 K，約零下 273.15 攝氏度）是熱力學所允許的溫度下限，只能無限接近而無法達到。

此前的紀錄由德國科研團隊於 2021 年創造，當時基於原子芯片磁阱方案將銣原子雲冷卻至 38 皮開爾文，自由膨脹時間約 2 秒。

中國團隊的成果將這一數字壓低至四分之一左右，觀測窗口也延長至 7 秒，爲捕捉極低溫下的微弱物理信號提供了更充裕的時間。

此次實驗在微重力環境下完成，這是突破地面極限的關鍵。在地面上，重力會使原子雲迅速下墜，要維持懸浮就必須施加更強的束縛場，而束縛場本身會引入額外能量，反過來限制溫度進一步下探，地面類似實驗的穩定觀測時間通常僅約 0.05 秒。空間站的微重力條件讓原子雲得以近乎自由地漂浮，僅需極弱的光學約束即可實現深度冷卻。

中國團隊選擇的技術路線是全光阱冷卻，區別於國際同行慣用的原子芯片磁阱方案。全光阱利用聚焦激光束構建勢阱，對磁場干擾不敏感，並且適配後續的光晶格實驗，擴展能力更強。

實驗系統本身是一項高度集成的工程成果。地面實驗裝置原本佔地約 20 立方米、重達 10 噸，科研人員將其壓縮至 0.7 立方米、約 500 公斤，裝入空間站實驗櫃中，涉及超高真空獲取、高功率光纖激光器、精密光學對準等多環節的技術攻關。二十餘束激光需要匯聚到直徑僅幾十微米的原子雲上，對準誤差控制在 5 微米以內，約爲一根頭髮絲直徑的十分之一，同時滿足航天級高集成、低功耗與可靠性要求。該實驗櫃於 2022 年隨夢天艙發射入軌，項目從論證到在軌取得成果歷時約 15 年。

在接近絕對零度的條件下，銣原子雲進入玻色-愛因斯坦凝聚態，原本無序熱運動的原子呈現出宏觀量子行爲。

論文摘要顯示，此次製備的凝聚體包含約 2.0×10⁴個原子，等效溫度的不確定度範圍爲 9.7（+3.2/−2.7）皮開爾文，是首次在微重力環境下利用全光阱實現量子簡併氣體。更低的溫度和更長的自由演化時間，爲研究極低溫量子氣體的相變、非平衡動力學與多體關聯等基礎問題提供了地面難以復現的實驗平臺，也有助於推動早期宇宙模擬、超輕暗物質探測等前沿方向。

在應用層面，超冷原子可用於研製更高精度的原子干涉儀、量子傳感器與空間時頻基準，服務於重力場測量、慣性導航及基本物理常數檢驗。

相關論文《太空中低於 10 皮開爾文的量子氣體》今日發表在國際學術期刊《科學》上。《科學》審稿人評價稱，這項工作代表了超低溫膨脹領域當前的最高水平。