科技日报记者 陆成宽
宇宙中已知最冷的“冰点”，不在遥远深空，也不在南极冰盖深处，而在中国空间站。
近日，中国科学院空间应用工程与技术中心举行中国空间站成果发布会宣布，利用中国空间站超冷原子物理实验柜，我国科学家成功制备出温度仅为9.7皮开尔文的铷原子云，较室温降低14个数量级，并可持续观测7秒。相关研究成果6日在线发表于国际学术期刊《科学》。
这团原子云是目前已知最冷的人造物质，温度仅比绝对零度高约万亿分之九点七摄氏度，创下了人类已知最低温度纪录，标志着我国科学家向绝对零度（-273.15℃）迈进一大步。
温度的高低，本质上反映的是原子运动的剧烈程度。温度越低，原子跑得越慢。把原子冷到接近绝对零度，原子就不再乱跑，而会变得整齐有序，出现玻色—爱因斯坦凝聚等奇特的量子现象。“这种状态下的原子，就像一支训练有素的‘仪仗队’，科学家可以更方便地研究量子世界，开展精密测量、量子模拟等前沿研究。”论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授周小计解释。
然而，在地面上，重力会把原子从“笼子”底部往下拉，限制冷却效果。空间站处于微重力环境，原子受到的束缚可以很弱，冷却效果更好，温度也能降得更低，还能观察更长时间。
为利用微重力优势、实现更好冷却效果，中国科学院空间应用工程与技术中心、北京大学与中国科学院上海光学精密机械研究所联合研制了超冷原子物理实验柜。
通俗地讲，这个实验柜就是太空中的“超级冰箱”。这个“超级冰箱”里装有约5克金属铷。科研人员先将铷加热蒸发，释放出铷原子蒸汽；再用激光和磁场把原子“圈”起来，进行初步冷却；随后采用我国团队提出的全光阱冷却方案，即用激光做成无形的“笼子”“囚禁”原子云，并通过降低光强让原子进一步“冷静”下来；最后用非绝热扩散进行深度冷却，一步步把温度压到9.7皮开尔文。
与国际上常用的原子芯片磁阱方案不同，中国的光阱方案难度更大，但优势明显：在太空更容易实现多光束精确控制，不容易受磁场干扰，也方便开展多种量子模拟实验。“以前，国际上并没有通过光阱蒸发冷却技术在轨制备凝聚体的先例。我们提出梯度力辅助的新方案，实现原子高效蒸发冷却，最终获得了高纯度的凝聚体，未来有望发现新的物理现象。”周小计说。
事实上，这个“超级冰箱”的研制并不容易。项目自2011年开始论证，2022年研制成功并随“梦天”实验舱发射升空，如今取得重大突破，历时15年。
“实验柜涉及原子物理、激光技术、精密光学、超高真空、自动控制、航天工程等诸多领域，还要满足航天高集成、低功耗、高可靠的要求。更重要的是，我们还克服各种工程难题，成功把地面20立方米、重10吨的实验系统，压缩到0.7立方米、重0.5吨的实验柜中，相当于把一间房子大的设备装进一台冰箱。”论文共同第一作者、中国科学院上海光学精密机械研究所研究员李唐说。
《科学》审稿人认为，该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。诺贝尔物理学奖得主、美国麻省理工学院物理系教授沃尔夫冈·克特勒也表示，“这是超冷原子领域的一项重大成就”，“这一成就是一个很好的起点，可以推进原子温度测量和精密测量”。
发布会上，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：“绝对零度永远不可到达，但人类迈向它的脚步，永远不会停歇。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。”
（中国科学院空间应用工程与技术中心供图）
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