逼近绝对零度！中国版“超级冰箱”冻出人类低温新纪录

你知道，世界上最冷的地方在哪吗？

有人会想到南极（-89.2℃）；

有天文爱好者会想到距地球约5000光年的布莫让星云，是已知宇宙中最冷天体（-272℃），但这里仍称不上最冷。

记者从中国科学院空间应用工程与技术中心获悉：我科学家依托空间站超冷原子物理实验柜，制备出目前已知最冷人造物质——铷原子云，打破了人类迄今为止的低温纪录。该实验将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文（pK），较室温降低14个数量级，并可持续观测7秒。

该成果由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头论证管理集成、北京大学与中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）联合完成。

相关成果论文于11月6日在线发表于国际期刊《科学》。审稿人认为，“该工作成果是超冷原子精密操控的重要里程碑。对基础物理研究及空间导航、地球观测等应用有重要价值，刷新了超低温膨胀的最高纪录。”

五次诺贝尔奖，向绝对零度迈进

原子是构成我们周围一切物质的基本单元，小到看不见，却撑起了整个大千世界。可你知道吗？原子在永不停歇地做着无规则热运动‌，人们难以捕捉和观测它；当温度不断降低，原子的运动随之放缓，恰好和我们口中的“冷静”一词不谋而合：冷了，也就静下来了。反之亦然，静下来，温度才会降低。

且只有降至接近温度的下限——绝对零度0K（开尔文），也就是-273.15℃时，原子才会被“冻”到几乎静止。“此时，原子们不再无规则地乱跑，而形成了一支步调一致、齐声歌唱的队伍。”论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授周小计说。

那么，绝对零度如何达到呢？“绝对零度永远不可能达到。”100多年前，德国化学家能斯特提出的热力学第三定律曾如此说道，他也因此获得1920年诺贝尔化学奖。其后，“向绝对零度迈进”成了物理学界长达百年的挑战目标，在这漫长的道路上先后授予了五次诺贝尔物理奖，每一次都是通过新的技术方案，将温度降低几个数量级。

当科学家们想把原子更进一步冷却时，难缠的“对手”出现了。“在地面上，原子会因为重力忍不住下坠，一旦运动就会变热。”周小计解释，地面实验中，团队通过制造一个蒸发热原子的势阱，像围栏一样困住冷原子，达到降温目的。但重力的影响会让这个“围栏”出现一个豁口，使冷原子从势阱中逃逸，限制蒸发冷却的温度。

落塔、电梯、飞机、太空火箭……各国科学家千方百计避开地球重力带来的干扰，寻找能够承担超冷原子物理实验的绝佳平台。2018年5月，美国国家航空航天局NASA将冷原子实验室（CAL）送上国际空间站。这是人类首个在轨运行的超冷原子物理实验设施，采用原子芯片形成的微磁阱“囚禁”原子云，最终实现52pK原子等效温度。

“空间站的微重力环境，为我们开展极低温原子的量子模拟和量子精密测量提供了可能。”周小计说，团队也在持续探索：还能不能找到新的冷却方法，突破下一个低温极限？

极限“瘦身”，应对航天级挑战

早在2011 年，中国载人空间站工程进入论证阶段：究竟要利用空间站的微重力环境开展什么样的实验？超冷原子物理实验成为大家心中一个必不可少的选项。

摆在中国团队面前的，是一套成熟的磁阱方案，利用磁场构建的无形笼子，剥离原子热量、减慢原子膨胀，从而逼近绝对零度。

为了突破极限，中国科学家们却选择了一条拓展性更强、难度也更大的路线——全光阱系统，通过降低光强进行蒸发冷却降低原子云温度，再用非绝热扩散进行深度冷却，最终获得低温突破。论文共同第一作者、上海光机所研究员李唐介绍，全光阱在空间环境中更易实现多光束精确控制，且对磁场干扰不敏感，对多种量子模拟实验具有兼容性，工程可靠性与科学扩展性更具优势。

但越接近极限温度，原子就越敏感，一次微小的功率波动，一点难以察觉的噪声，都可能让原子重新热起来。这场实验考验的从来不是某一项技术，而是各科学团队与工程团队之间的密切配合。

科学方案确定后，团队历经近两年，完成了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，将地面20m3、重10吨的实验系统集成到0.7m3、重0.5吨的超冷原子物理实验柜中。这相当于，一间房子那么大的实验系统被压缩至一个冰箱大小，一头鲸鲨“瘦身”成了一只熊。

“哪里能压缩？哪些压缩会带来影响？我们从一开始毫无头绪到一点点摸索攻坚，最终把这套压缩后的超冷原子物理实验系统打造完成，在满足航天高集成、低功耗、高可靠性的严苛要求下，实现多项尖端技术集成，送往中国空间站。”李唐说。

刷新记录，太空“超级冰箱”上岗

2022年11月1日，随着梦天实验舱与中国空间站顺利对接，作为实验舱主要科学载荷之一的超冷原子物理实验柜，就像一台能够不断向下突破温度极限的“超级冰箱”，正式落户太空。

在这个“超级冰箱”里，5克金属铷先经过加热蒸发、释放出铷蒸汽。借助磁光阱、光学黏团技术对蒸汽中的铷原子进行初步冷却，再利用两级交叉光阱技术进行蒸发冷却和深度冷却。最终，科学家们成功将铷原子云的等效温度降至10pK量级，创造了宇宙已知最冷点。

10pK=一千亿分之K，写成小数，意味着它距离绝对零度仅差0.00000000001K。

“温度从室温的几百K降到10pK以下，每一次量级的改变都意味着物质将呈现出完全不同的性质和形态，这对物理学的研究至关重要。”论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜、金圣杰认为，此前在地面极低温下，地面上仅能观测原子0.05秒左右，在国际空间站上能观测2秒。可持续观测时间越长，越有助于发现新的、更微弱的物理现象。

专家表示，从科学意义上来说，中国空间站超冷原子物理实验平台，将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，推动对早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿课题的研究；从应用意义上来说，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，有助于提升我国在空间量子科技领域的国际竞争力。

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表示，中国科学家联合工程团队15年磨一剑，完成了从基础研究到工程实现的跨组织、体系化攻关，取得国际最好指标，这也表明目前我国已达到国际冷原子物理相关实验技术一流水平，“我们将尽最大努力保障设备安全平稳运行，共同为人类科技进步作出新的贡献。”（经济日报记者 郭静原）

（经济日报原创新闻作品）