科學家在中國太空站實現了破紀錄的低溫，為新的物理實驗鋪平了道路。

科學家在中國太空站創下低溫紀錄，為新的物理實驗鋪路

物質在極低溫度下會表現出不同的行為，這為研究量子物理和新的物質狀態創造了理想的條件。如今，來自中國的研究人員在天宮太空站上創造了新的低溫紀錄。他們最近發表在《科學》雜誌上的研究成果，預計將引領新一代量子物理實驗和太空精密測量的發展。

追求極致低溫

在接近絕對零度的溫度下，原子可以形成一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）的雲狀結構，其行為類似於共享的量子波。 BEC 對物理研究具有重要價值。這項新研究的作者將其描述為「多功能的量子模擬平台」。原子溫度越低，運動速度越慢，這使得科學家能夠進行更精確的測量。這促使人們不斷追求更低的溫度。

然而，要達到接近絕對零度的極低溫並非易事。引力會使原子在「陷阱」中下沉，造成限制。磁浮技術已被用於對抗重力，但它也帶來了一個新的問題：它迫使原子具有相同的內部自旋態。光阱利用雷射光束，能夠提供更靈活的控制，但在這項新研究之前，它們從未在微重力條件下直接產生凝聚體。

先前最低的溫度紀錄是利用落塔誘導自由落體狀態實現的，其等效溫度為38皮開爾文（僅略低於1開爾文）。國際太空站冷原子實驗室的另一項太空實驗利用磁阱和物質波透鏡效應達到了52皮開爾文。由於普通的熱力學溫度不適用於此類實驗，科學家使用等效溫度來描述雲團的膨脹能量和速度。

參與這項新研究的團隊認為，他們可以利用光偶極阱（ODT）來達到更低的溫度。光偶極阱利用聚焦雷射光束將中性原子和微粒束縛在特定位置。在太空中進行這項實驗可以創造一個不受落塔實驗限制的微重力環境，而不再侷限於短時間。

利用雷射在太空創造新紀錄

為了實現目標，研究團隊利用雷射冷卻和蒸發冷卻（去除高能量原子）技術，將約2萬個銣原子冷卻到光阱（ODT）中，形成凝聚體。磁場梯度也改善了初始冷卻效果，使凝聚體對磁場擾動的敏感度降低。隨後，他們將原子轉移到更寬的光阱中，並削弱其約束以降低膨脹能量。接著，他們測量了雲團在三維空間中的膨脹。

測得的等效溫度為9.7皮開爾文，比之前的紀錄低四倍。研究團隊指出，9.7皮開爾文的誤差範圍在7.0至12.9皮開爾文之間。自由膨脹時間－也就是他們能夠追蹤膨脹的時間－為7秒，遠長於落塔實驗中的2秒自由膨脹時間或國際太空站上的1秒自由膨脹時間。

接下來會怎樣？

能夠在如此低的溫度下進行實驗，並在更長的時間窗口內進行測量，開啟了新的機會。研究團隊表示，可調體積阱還可以增加可用於實驗的原子數。其應用前景包括利用精心控制的雷射場和太空原子乾涉儀研究不尋常的量子態。

研究的作者將這套新系統描述為一種強大的工具。他們寫道：「首先，它旨在實現量子模擬，從而在獨特的太空環境中探索低溫物理。這包括研究奇異的量子相，例如研究一維玻色子系統中Tomonaga-Luttinger液體序的衰減，以及探測無序勢場中玻色玻璃或分形Mott相的性質。

「第二個可能的目標是建造一個基於空間的原子馬赫-曾德爾干涉儀，它有望對等效原理等基本原理進行精確檢驗。”