中国空间站制造出迄今最冷物质
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中国空间站制造出迄今最冷物质
绝对零度是零下273.15摄氏度。热力学第三定律指出，它永远无法真正抵达。但全球科学家仍在不断逼近这一极限。在这场逐“冷”的PK中，中国科学家交出了最新的答卷。
在距地面约400公里的中国空间站里，超冷原子物理实验柜中，中国科学家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），较室温降低了14个数量级，并持续观测7秒。
这打破了人类迄今的低温纪录，制备出目前已知最冷的人造物质，标志着中国科学家向绝对零度迈进一大步。
这项成果由中国科学院空间应用工程与技术中心（以下简称空间应用中心）牵头论证管理集成，由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，于11月6日在《科学》上刊发。
超冷原子物理实验柜的地面镜像件。上海光机所供图
到太空去，降温
原子在永不停歇地做无规则热运动，人们难以捕捉和观测它。只有降低至接近绝对零度，即-273.15摄氏度（0K）时，原子才会被冻到几乎静止。此时，它会呈现如玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象。
“也就是说，此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’。”论文共同通讯作者、北京大学电子学院教授周小计介绍。
然而，100多年前，德国化学家能斯特提出的热力学第三定律确定“绝对零度永远不可能达到”。此后，“向绝对零度迈进”成为物理学界长达百年的挑战目标。
研究发现，在地球上进行原子冷却实验时，原子云会被束缚在磁场或光场形成的容器中，重力会将原子从容器底部拉出。通常采用的蒸发冷却需要降低束缚容器的高度，重力影响使这一高度难以进一步降低。
在空间站微重力条件下，这种束缚原子容器的高度可以降得很低，在理论上保证了原子可以进入pK温度区域。
沿着这一思路，全球学者不断迭代技术方案，将温度降低了几个数量级。2022年，国际空间站上的冷原子实验室实现了52pK的原子等效温度。
全新方案的“超级冰箱”
自2011年起，中国空间站开始论证冷原子物理实验柜项目。经过多年攻关，2022年，由上海光机所牵头研制的超冷原子物理实验系统随“梦天”实验舱抵达太空。
论文共同第一作者、上海光机所研究员李唐介绍，这是一个能将温度极限降低的“超级冰箱”，同时也是一个全自动的微型实验室。
研制过程中，在深度冷却环节，科研团队创造了全新的“中国方案”，采取了与国际上不同的技术路线。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。
“中国方案”则采用全光阱“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，优势更明显。
科研团队认为，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。
在科学方案确定后，上海光机所历经艰苦努力，完成了多项关键技术攻关，将地面20立方米、重10吨的实验系统集成到0.7立方米、重0.5吨的超冷原子物理实验柜中。
上海光机所完成超冷原子物理实验系统工程研制后，空间应用中心系统总体接力攻关，开展了超冷原子物理实验系统在科学实验柜的整柜集成和系统测试。
研制过程并非一帆风顺。2021年底，实验柜进入正样研制阶段，上海光机所多次实验却未能呈现玻色-爱因斯坦凝聚。这是冷却的第一步，如果不能实现，后续深度冷却则无从谈起，甚至直接影响梦天实验舱的载荷集成方案。
系统总体紧急争取到10天宽限，如果10天后仍无结果，这一轮就不上天。那10天里，科研团队没日没夜测试、优化，逐个排查成百上千个软硬件部件。2022年1月8日凌晨，实验终于成功。李唐回忆：“当时感觉和成功就距离一张窗户纸，后来还真捅破了。”
在中国空间站的这台“超级冰箱”中，5克金属铷先经过加热蒸发，释放出铷蒸气。借助磁光阱、光学黏团技术对蒸气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9.7pK，较室温降低了14个数量级，可持续观测7秒。