11月6日,中国科学院空间应用工程与技术中心发布中国空间站最新成果:梦天舱超冷原子物理实验柜把一团铷原子云冷却到9.7皮开尔文,稳定观测7秒,刷新人类已知最低温人造物质纪录。新华网
这项工作由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头,北京大学、中国科学院上海光学精密机械研究所联合完成,论文同一天在《科学》上线。
9.7皮开尔文是9.7×10⁻¹²开尔文,约千亿分之一开尔文。宇宙微波背景辐射约2.7开尔文,这团原子比它低约11个数量级。
但先别把它想成一块冰。真正被冷却的,是真空腔里的一团铷原子;其中约两万个原子形成了玻色-爱因斯坦凝聚。皮开尔文说的是这团原子的等效温度,不是整台实验柜的温度。中国新闻网
论文给出的数值是9.7(+3.2/−2.7)皮开尔文。“等效”两个字很关键:它描述的是原子云的运动状态,而不是一块可以拿在手里的材料。
为什么非得上太空?地面重力会拽着原子云下坠,要让它悬住就得加更强的束缚,反而把能量带回来。地面观测只能维持0.05秒。新华网
到了微重力环境,原子可以近乎自由漂浮,只需很弱的光约束就能继续降温。
中国团队用的是全光阱:二十多束激光在真空腔里织出三维“光笼”,先蒸发冷却,再做深度冷却。原子最终进入玻色-爱因斯坦凝聚态,从杂乱变得步调一致。
要把这些激光对准几十微米的原子云,误差不能超过5微米,约一根头发丝的十分之一。地面20立方米、10吨重的系统,最终被装进0.7立方米、0.5吨的实验柜。中国新闻网
此前纪录是2021年德国团队用原子芯片磁阱做出的38皮开尔文,自由膨胀2秒。 论文称,光阱系统此前尚未在微重力下制备过量子简并气体,这次是首次。央视网Science
7秒的自由膨胀时间,是此前微重力磁阱纪录2秒的三倍多,也是地面0.05秒的百倍以上。时间越长,原子干涉能积累更大的相位差,量子模拟也能看到更慢的动力学过程。
它有什么用?近期看,是研究极低温量子气体的相变、非平衡动力学和多体关联。再远一点,可模拟早期宇宙、搜寻超轻暗物质。
这些量子气体还能支撑原子干涉仪、量子传感器和空间原子钟,用于重力场测量、惯性导航和基本常数检验。 当然,应用不会明天就落地。中国新闻网
还要记住两点。绝对零度不可达,热力学第三定律摆在那里。 媒体口中的“宇宙最冷点”,严格说,它是人类已知的最冷人造物质,而且是一团原子气体。央视网
从2011年论证到2026年破纪录,这条路走了15年。 几代科研人员把一套地面上的大装置,做成了能送上空间站的实验柜。中国新闻网
中国载人航天工程空间应用系统总指挥王强表示,中国空间站欢迎全球科学家利用这台平台开展实验。纪录会被刷新,这7秒的窗口才刚刚打开。