极目新闻记者 曹雪娇
近日，记者从北京大学获悉，该校电子学院陈徐宗教授、周小计教授团队与中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“中科院上海光机所”）等单位合作，在中国空间站梦天实验舱的超冷原子物理实验柜里，把铷原子云的等效温度降低到9.7皮开尔文（pK，10-12K），换算成摄氏温度是−273.1499999999903℃，制备出了目前人类已知最冷的人造物质。近期，相关成果已发表于《科学》（Science）杂志。
据了解，开尔文（K）是国际单位制中热力学温度的基本单位，其零点为绝对零度。绝对零度换算成摄氏温度是−273.15°C。9.7皮开尔文换算成摄氏温度为−273.1499999999903℃，需要写到小数点后第11位，才看得出其与绝对零度的区别。
北京大学电子学院教授陈徐宗解释称，温度的本质，是原子的热运动。原子跑得越慢，温度就越低。地面上，重力会拉扯原子云向下坠落，想要深度冷却，就要施加更强束缚，而更强束缚会限制温度继续下降；同时，地面观测仅能维持0.05秒。而在空间站微重力环境，原子云自在漂浮，只需极弱约束，就能实现深度冷却。
但要在空间站内搭建一个超冷原子物理实验室，要求极为苛刻。除了相关指标较高外，还要把原本地面一间房屋大小、重达10吨的实验系统，压缩成0.7立方米、0.5吨重的空间科学实验设施，其功耗低至5000瓦，同时满足载人航天在安全性、可靠性、在轨可维修性等方面的特殊要求。为此，北京大学电子学院的陈徐宗教授作为超冷原子柜的首席科学家，与超冷原子柜的第一个科学实验负责人周小计教授、超冷原子柜副主任设计师熊炜老师，带领北京大学冷原子科学实验团队的博士生同学，同中科院上海光机所书记、超冷原子柜总指挥陈卫标研究员领导的工程团队密切配合，经过七年攻关研制，发展了八项新技术，最终完成了正样机研制。
梦天实验舱内部图，黄框部分为超冷原子物理实验柜（图源：北京大学官方公众号）
2022年10月，这台超冷原子物理实验柜由梦天实验舱送入中国空间站，为超冷原子物理研究提供了一个长期在轨稳定运行的实验系统，是中国首个微重力超冷原子物理实验平台。在这个柜子里，能够制备出地面条件下难以达到的、无限接近绝对零度的超低温量子体。
以往的科学家更多采用原子芯片磁阱路线。此前，德国、美国相关科研团队曾先后将记录推进到38皮开尔文、52皮开尔文。这次我国团队选择了难度更高的全光阱冷却技术。全光阱在空间环境中更易实现多光束精确控制，对磁场干扰不敏感，与多种量子模拟实验具有兼容性，在工程可靠性与科学扩展性方面更具优势，实现了最低温和自由膨胀时间的双突破。
北京大学电子学院教授周小计称，为实现这一目标，几代科研人员接续攻关，项目从论证到在轨取得成果整整走过了15年。
最终，成功将铷原子云等效温度降低至9.7皮开尔文，可持续观测时间达到7秒。“7秒的观测窗口相比地面观测窗口提升百倍，给捕捉微弱的新奇物理现象留出充足时间。”北京大学电子学院熊炜说。