9.7皮开尔文是什么概念?中国空间站刷新纪录,关键在那口“光阱”

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先把数字摊开:1 皮开尔文 = 10⁻¹² 开尔文,9.7 皮开尔文就是 0.0000000000097 开尔文。2026 年 11 月 6 日,中国空间站梦天舱的超冷原子物理实验柜把一团铷原子云冷到了这个等效温度,并让它自由膨胀了 7 秒,刷新了此前 38 皮开尔文的纪录。 相关论文发表在《科学》。论文给出的样本规模是约 2 万个原子。新华网Science

这个温度比宇宙微波背景(约 2.7 K)低约 11 个数量级。媒体喜欢说“宇宙最冷点”。但严格说,它不是某个寒冷的角落,而是一小团被激光和真空困住的原子;“温度”也不是温度计读出来的,而是从原子云自由膨胀的速度反推的等效温度。Science

冷到纳开以下,原子会进入玻色-爱因斯坦凝聚态,平时被热噪声盖住的量子效应才会露出来。问题是,地面上冷到一定程度就冷不动了。重力会把原子云往下拽;要托住它,就得用更强的束缚,而更强的束缚会带入更多能量,反而给温度设了一个地板。地面上的观测窗口只有 0.05 秒,原子云很快就掉出视野。新华网

空间站的微重力把这块地板抽掉了。原子云可以悬在那里,只需很弱的光束缚就能继续降温,这次自由膨胀了 7 秒,相比地面实现百倍提升。 此前微重力下的纪录是 2 秒。新华网Science

这次的关键,是中国团队没有走国际通行的原子芯片磁阱路线,而是用了更难的全光阱。 具体做法分两步:先在细腰交叉光阱里蒸发冷却到纳开量级,再把原子转移到宽腰、弱功率的光阱中,靠扩散继续降温。新华网Frontiers in Physics

温度大致和激光功率的平方根成正比、和光束腰宽的平方成反比。也就是说,当蒸发冷却再也降不动时,把光阱“放宽”比继续“调暗”更有效。地面验证把原子做到了 5 纳开,按设计,在空间站微重力下目标是 100 皮开尔文。 结果这次做到了 9.7 皮开尔文,比设计目标还低一个数量级。Frontiers in Physics

为什么非要全光阱?磁阱只能抓住有磁矩的原子,芯片表面离原子太近,光学通道也受限。光阱靠激光的偶极势,能抓住没有磁矩的原子,光束可以从外面自由穿过,更适合做光晶格和量子模拟;这次把全光阱路线搬上了空间站,并做到了皮开尔文量级。 代价是难:二十几束激光要精确汇到几十微米的原子云上,对准误差不能超过 5 微米,约一根头发丝的十分之一。Science新华网

把地面一间房屋大小、10 吨重的系统塞进 0.7 立方米、500 公斤的实验柜,就是另一项硬仗。 从 2011 年论证、2022 年随梦天舱上天,到 2026 年拿到结果,前后 15 年。新华网中国新闻网

更冷、更慢的原子有什么用?一个直接的例子是原子干涉仪:原子自由飞行的时间越长,对重力、惯性的变化越敏感。空间站的 7 秒窗口,正是这类实验想要的。 在科学上,极低温量子气体还能用来研究相变、多体关联,模拟早期宇宙、寻找超轻暗物质。新华网

绝对零度仍然不可到达。9.7 皮开尔文不是终点,它证明了一口更宽、更浅的光阱可以在太空里工作,也把“已知最冷”的刻度从 38 皮开尔文推到 9.7 皮开尔文。以后能冷的原子种类更多,能做的实验范围也更广。

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