中国空间站造出人类已知最冷物质：铷原子云降至 9.7 皮开尔文，逼近绝对零度

IT之家 11 月 6 日消息，据新华社今日报道，中国科学院空间应用工程与技术中心依托梦天舱超冷原子物理实验柜，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，较室温降低 14 个数量级，并实现持续 7 秒的稳定观测，刷新了人类已知的最低温度纪录。

IT之家注：皮开尔文是极微小的温度单位，1 皮开尔文等于一万亿分之一开尔文（1 pK = 10⁻¹² K），而绝对零度（0 K，约零下 273.15 摄氏度）是热力学所允许的温度下限，只能无限接近而无法达到。

此前的纪录由德国科研团队于 2021 年创造，当时基于原子芯片磁阱方案将铷原子云冷却至 38 皮开尔文，自由膨胀时间约 2 秒。

中国团队的成果将这一数字压低至四分之一左右，观测窗口也延长至 7 秒，为捕捉极低温下的微弱物理信号提供了更充裕的时间。

此次实验在微重力环境下完成，这是突破地面极限的关键。在地面上，重力会使原子云迅速下坠，要维持悬浮就必须施加更强的束缚场，而束缚场本身会引入额外能量，反过来限制温度进一步下探，地面类似实验的稳定观测时间通常仅约 0.05 秒。空间站的微重力条件让原子云得以近乎自由地漂浮，仅需极弱的光学约束即可实现深度冷却。

中国团队选择的技术路线是全光阱冷却，区别于国际同行惯用的原子芯片磁阱方案。全光阱利用聚焦激光束构建势阱，对磁场干扰不敏感，并且适配后续的光晶格实验，扩展能力更强。

实验系统本身是一项高度集成的工程成果。地面实验装置原本占地约 20 立方米、重达 10 吨，科研人员将其压缩至 0.7 立方米、约 500 公斤，装入空间站实验柜中，涉及超高真空获取、高功率光纤激光器、精密光学对准等多环节的技术攻关。二十余束激光需要汇聚到直径仅几十微米的原子云上，对准误差控制在 5 微米以内，约为一根头发丝直径的十分之一，同时满足航天级高集成、低功耗与可靠性要求。该实验柜于 2022 年随梦天舱发射入轨，项目从论证到在轨取得成果历时约 15 年。

在接近绝对零度的条件下，铷原子云进入玻色-爱因斯坦凝聚态，原本无序热运动的原子呈现出宏观量子行为。

论文摘要显示，此次制备的凝聚体包含约 2.0×10⁴个原子，等效温度的不确定度范围为 9.7（+3.2/−2.7）皮开尔文，是首次在微重力环境下利用全光阱实现量子简并气体。更低的温度和更长的自由演化时间，为研究极低温量子气体的相变、非平衡动力学与多体关联等基础问题提供了地面难以复现的实验平台，也有助于推动早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿方向。

在应用层面，超冷原子可用于研制更高精度的原子干涉仪、量子传感器与空间时频基准，服务于重力场测量、惯性导航及基本物理常数检验。

相关论文《太空中低于 10 皮开尔文的量子气体》今日发表在国际学术期刊《科学》上。《科学》审稿人评价称，这项工作代表了超低温膨胀领域当前的最高水平。