中国空间站铷原子云9.7皮开尔文：刷新最低温度纪录

据新华社11月6日报道，中国科学院空间应用工程与技术中心借助梦天舱超冷原子物理实验柜，采用全光阱冷却技术，把铷原子云的等效温度降到了9.7皮开尔文。这一温度比室温低了14个数量级，稳定观测持续了7秒，人类已知的最低温度纪录由此被刷新。

皮开尔文是个极小的温度单位：1皮开尔文等于一万亿分之一开尔文（1 pK = 10⁻¹² K）。绝对零度（0 K，约零下273.15摄氏度）是热力学允许的温度下限，只能无限接近，永远达不到。9.7皮开尔文意味着，铷原子云的温度只比绝对零度高出一百亿分之一摄氏度左右。

原纪录是德国科研团队2021年创下的。他们用原子芯片磁阱方案，把铷原子云冷却到38皮开尔文，自由膨胀时间约2秒。中国团队把这个数字压到了原来的四分之一左右，观测窗口则拉长到7秒，捕捉极低温下微弱物理信号的时间更充裕了。

实验是在微重力环境下完成的，这也是突破地面极限的关键。地面上重力会让原子云迅速下坠，想让它悬浮就得施加更强的束缚场；束缚场本身又会带入额外能量，反过来卡住温度继续下探。地面类似实验的稳定观测时间通常只有约0.05秒。到了空间站，微重力让原子云近乎自由地漂浮，极弱的光学约束就足以实现深度冷却。

技术路线上，中国团队选的是全光阱冷却，国际同行则惯用原子芯片磁阱方案。全光阱靠聚焦激光束构建势阱，对磁场干扰不敏感，也适配后续的光晶格实验，扩展能力更强。

实验系统本身就是一项高度集成的工程成果。地面装置原本占地约20立方米、重达10吨，科研人员把它压缩到0.7立方米、约500公斤，装进了空间站实验柜。这背后涉及超高真空获取、高功率光纤激光器、精密光学对准等多个环节的技术攻关。二十余束激光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，同时还得满足航天级高集成、低功耗与可靠性要求。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。

温度逼近绝对零度时，铷原子云进入玻色-爱因斯坦凝聚态，原本做无序热运动的原子表现出宏观量子行为。

论文摘要显示，这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。

温度更低、自由演化时间更长，研究人员就有了一个地面难以复现的实验平台，用来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，也有助于推动早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿方向。

落到应用上，原子干涉仪、量子传感器和空间时频基准都能靠超冷原子做到更高精度，重力场测量、惯性导航以及基本物理常数检验都用得上。

论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》今天刊登在国际学术期刊《科学》上。《科学》审稿人给出的评价是，这项工作在超低温膨胀这一方向代表了当前最高水平。