中国空间站刷新低温纪录 铷原子云降至9.7皮开尔文

驱动中国11月6日消息，中国科学院空间应用工程与技术中心依托中国空间站梦天舱超冷原子物理实验柜，利用全光阱冷却技术，将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文，较室温降低14个数量级，并实现持续7秒的稳定观测，刷新已知最低温度纪录。

皮开尔文为极微小温度单位，1皮开尔文等于一万亿分之一开尔文，即10的负12次方开尔文。绝对零度为0开尔文，约零下273.15摄氏度，是热力学允许的温度下限，只能无限接近而无法达到。9.7皮开尔文意味着铷原子云温度仅比绝对零度高约一百亿分之一摄氏度。

此前纪录由德国科研团队于2021年创造，当时基于原子芯片磁阱方案将铷原子云冷却至38皮开尔文，自由膨胀时间约2秒。此次成果将温度数值压低至此前纪录的四分之一左右，并将观测窗口延长至7秒，为捕捉极低温下的微弱物理信号提供更充裕时间。

实验在微重力环境下完成，这是突破地面极限的关键。地面重力会使原子云迅速下坠，维持悬浮需施加更强束缚场，而束缚场本身会引入额外能量，反过来限制温度进一步下降；地面类似实验的稳定观测时间通常约0.05秒。空间站微重力条件使原子云近乎自由漂浮，仅需极弱光学约束即可实现深度冷却。

中国团队采用全光阱冷却路线，区别于国际同行惯用的原子芯片磁阱方案。全光阱利用聚焦激光束构建势阱，对磁场干扰不敏感，并可适配后续光晶格实验，扩展能力更强。

实验系统为高度集成的工程成果。地面实验装置原本占地约20立方米、重达10吨，科研人员将其压缩至0.7立方米、约500公斤，装入空间站实验柜。系统涉及超高真空获取、高功率光纤激光器、精密光学对准等多环节技术攻关；二十余束激光需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，同时满足航天级高集成、低功耗与可靠性要求。该实验柜于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。

在接近绝对零度条件下，铷原子云进入玻色-爱因斯坦凝聚态，原本无序热运动的原子呈现宏观量子行为。论文摘要显示，此次制备的凝聚体包含约2.0×10⁴个原子，等效温度不确定度范围为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。

更低温度和更长自由演化时间为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提供地面难以复现的实验平台，也有助于推动早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿方向。在应用层面，超冷原子可用于研制更高精度的原子干涉仪、量子传感器与空间时频基准，服务于重力场测量、惯性导航及基本物理常数检验。

相关论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》于11月6日发表在国际学术期刊《科学》上。《科学》审稿人评价称，这项工作代表超低温膨胀领域当前最高水平。