中国空间站超冷原子实验柜：铷原子云9.7pK创低温新纪录

中国空间站这座国家太空实验室里有一台“超级冰箱”——超冷原子物理实验柜。中国科学家用它率先采用全光阱冷却技术，把铷原子云的等效温度压到9.7皮开尔文（pK），比室温低了14个数量级，还能持续观测（专业说法是可自由扩散或自由演化）7秒。

北京时间11月6日凌晨，相关论文在国际学术期刊《科学》上线发表，引发关注。这项成果造出了已知最冷的人造物质铷原子云，创下人类低温新纪录，也让中国科学家朝着物理学界挑战了上百年的绝对零度（-273.15℃，0K）大大前进一步。

成果发布会在北京举行。中新网记者 孙自法 摄

论文发表之前，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日在北京开了中国空间站重大成果发布会。会上聚焦的是已知宇宙最冷点“落户”中国空间站的“十五年磨一剑”攻关历程，还有这项成果在科学、应用两个层面的重要意义与深远影响，“超级冰箱”团队受邀做科普解读。

集智攻关“超级冰箱”

中国空间站“超级冰箱”项目得到中国载人航天工程办公室、中国科学院等支持，由中国科学院空间应用中心牵头论证、管理、集成，

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介绍，中国空间站超冷原子物理实验柜项目2011年启动论证，2022年完成研制并随

北大电子学院教授陈徐宗是论文共同通讯作者，他说，团队在国际上提出两级冷却方案——蒸发冷却加上非绝热扩散冷却，最低温度最终做到10pK。温度这么低，原子自由扩散就很慢，速度只有几十微米/秒；在空间站里，观察时间因此拉得很长，比地面多出两个数量级以上。

2022年，中国空间站梦天实验舱成功发射。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就在其中，它正是能把温度极限往下压的“超级冰箱”。4年后，中国科学家用这套实验系统打破了人类低温纪录。

这台“超级冰箱”同时是一座全自动的“微型实验室”。5克金属铷在这里先被加热蒸发、放出铷蒸汽，再用磁光阱、光学黏团技术对蒸汽里的铷原子做初步冷却，随后进行蒸发冷却和深度冷却。最终，铷原子云的等效温度被降到9.7pK，比室温低14个数量级，可持续观测7秒。

温度从室温的几百K一路降到10pK以下，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，每跨一个量级，物质的性质和形态就大不一样，这对物理学研究很关键。中国空间站这次拿到的实验结果，将来落到应用上，有望让干涉仪精度提升一个量级。

中国方案优势明显

项目团队介绍，做深度冷却时，中国方案走的技术路线和国际方案并不一样。

发布会现场放了一段科普视频，名字叫“pK最冷点”，一语双关。中新网记者 孙自法 摄

国际方案的路子是：先用原子芯片搭出微磁阱，把原子云“囚禁”起来，再靠射频蒸发冷却给原子云降温，末了用脉冲冲击做深度冷却。

中国方案则换成全光阱“囚禁”原子云，靠降低光强做蒸发冷却给原子云降温，最后用非绝热扩散完成深度冷却。这条路难度更大，优势也更明显。全光阱在空间环境里更容易实现多光束精确控制，对磁场干扰不敏感，还能兼容多种量子模拟实验，工程可靠性和科学扩展性都更占优。

全光阱还适合搭建光晶格。所谓光晶格，就是用激光造出来的“人造晶体”，能模拟凝聚态物理里那些难以直接观测的量子现象。也正因如此，中国空间站超冷原子实验柜的科学目标更偏向量子模拟、量子新物态、基本物理理论检验这些方向，更像一台“太空中的量子宇宙模拟器”。

科学方案定下来之后，中国科学院上海光机所啃下了硬骨头，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，把地面20立方米、重10吨的实验系统装进了0.7立方米、重0.5吨的超冷原子物理实验柜。说白了，一间房子那么大的实验系统被压到一个冰箱大小，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说，超冷原子物理实验系统牵扯原子物理学、激光技术、精密光学设计、超高真空技术、自动控制技术、航天工程学等一堆领域。这么复杂精密的仪器，还得满足航天高集成、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。超冷原子物理实验能拿到现在的结果，也说明工程研制是成功的。

中国科学院上海光机所把超冷原子物理实验系统的工程研制做完后，中国科学院空间应用中心系统总体“接棒”攻关，负责这套系统在科学实验柜里的整柜集成和系统测试。

助力前沿基础研究

北京大学电子学院教授、论文共同通讯作者周小计表示：“一旦把相关原子的运动约束住，操控起来就变得很容易。将光阱排成六边形、形似蜂巢，让每个阱中囚禁一个或多个原子，便能在量子尺度上模拟材料的微观结构。调整光强、晶格空间构型以及物质组分等条件后，我们就可以进入新的参数区间去模拟这些物理规律，从中发现新的特性。”

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，这个项目把空间科学、技术和工程结合得十分充分，此次研究成果会有助于相关仪器精度的提升，服务未来的空间重力测量任务。

陈卫标指出，从科学意义上讲，中国空间站超冷原子物理实验平台能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；从应用意义上讲，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。

这张科学海报展示的正是本项成果。中国科学院空间应用中心 供图

在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看来，9.7pK 这个刷新纪录的低温并非终点。他说，它更像一扇门，推开之后，是原子被“冻”到近乎静止、从而能够被观测和调控的量子世界；而再往前走，还有一项更大的追求，就是对物质世界最深层规律的追问。

温度降到极低之后，起主导作用的是量子效应，新的物态会接连出现。检验基本物理定律、寻找暗物质、更精确地测量时间与重力，这些方面的突破都有可能在这一温度区间发生。

吕从民还表示，中国空间站是国家太空实验室，他们同时希望把超冷原子物理实验柜做成一个能长期稳定运行、开放共享的国际一流实验平台。他面向所有需要借助极低温量子气体做研究的科学家发出邀请：“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。”