中国空间站何以制备出最冷人造物质

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<article><section data-type="rtext">【环球时报报道 记者 樊巍 邓孝慈】《环球时报》记者日前从中国科学院空间应用工程与技术中心获悉，中国科学家在中国空间站超冷原子物理实验柜中，率先利用全光阱冷却技术，成功将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文（pK，1 pK=10-12K），相较室温降低了14个数量级，并可持续观测7秒。这打破了人类纪录，制备出目前已知最冷人造物质，标志着中国科学家向绝对零度（0K，零下273.15摄氏度）迈进一大步。 <img data-alt="中国空间站超冷原子实验的演示图" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/45b0376cbf74815a33271a65961298b2u1.png?imageView2/2/w/1260" />中国空间站的微重力环境与“超级冰箱”使其得以可能成功 “当原子温度被降低至接近绝对零度、密度足够高时，原子们不再无规则地乱跑，而形成了一支整齐划一的‘仪仗队’。这有助于科学家们研究前沿物理问题，开展精密测量、量子计算、量子模拟等领域的研究应用。”参与这项研究的科研人员告诉《环球时报》记者，为了实现这个目标，理想方案是造出一个能将温度降低至绝对零度的“超级冰箱”，通过它不断降低原子运动速度，直至静止不动。 
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 2021年，德国不来梅大学科研团队在落塔微重力环境中，通过原子芯片磁阱技术加脉冲冲击冷却方案，将铷原子云的等效温度降至38皮开尔文，这是此前人类创造的最低温度纪录。2022年，国际空间站上的冷原子实验室利用相似的技术实现了52皮开尔文的原子等效温度。 “向绝对零度迈进，是物理学界持续百余年的挑战。在这条探索道路上，低温研究和冷却技术的相关成果，至少5次获得诺贝尔物理学奖。新的冷却方法不断拓展可探索的温度范围，也让新的量子现象逐步显现。”论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授周小计介绍称，中国空间站的微重力环境使得原子可以被捕获在低于1赫兹的阱中，从而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。 中国采用了与国际策略不同的深度冷却技术路线 2022年，中国空间站“梦天”实验舱成功发射，其中，由上海光机所牵头研制的超冷原子物理实验系统，好比是一个能将温度极限降低的“超级冰箱”。4年后，利用这一实验系统，中国科学家们打破了人类低温纪录。 “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。中国空间站将观测时间延长至7秒，未来在应用方面有望将干涉仪的精度提高一个量级。 事实上，进行深度冷却时，“中国方案”与国际方案采用了不同的技术路线。国际方案采用原子芯片形成的微磁阱“囚禁”原子云，用射频蒸发冷却降低原子云温度，最后用脉冲冲击进行深度冷却。与其相比，“中国方案”则采用了全光阱“囚禁”原子云，降低光强进行蒸发冷却降低原子云温度，最后用非绝热扩散进行深度冷却，难度更大，但优势更明显。 论文共同第一作者、北京大学助理研究员金圣杰认为，中国空间站超冷原子实验柜的科学目标则更聚焦于量子模拟、量子新物态、基本物理理论检验等，更像“太空中的量子宇宙模拟器”。 将用于多项前沿基础研究 论文共同通讯作者、上海光机所研究员陈卫标则介绍称，这是一个极为典型的空间科学、技术和工程充分结合的项目。“目前，欧美已经布局利用超冷原子干涉技术构建空间重力梯度仪的任务用来观测重力场，构建高时空分辨率的地球重力场模型。以此研究地球内部和外部物质运动状态及动力学机制、地球物理环境及其变化等重要信息，并应用于未来全球水循环监测、冰川洋流变化、高程基准统一、航天器精密定轨等领域。”陈卫标表示，这一研究成果将有助于相关仪器精度的提升，服务未来空间重力测量任务。 </section></article>

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