中国空间站实现9.7皮开尔文超低温纪录，铷原子云冷却至百亿亿分之一开尔文

11月6日，中国科学院空间应用工程与技术中心正式发布中国空间站最新科研成果：我国科研团队在梦天实验舱内成功制备出温度低至9.7皮开尔文（pK）的铷原子云，创下了目前已知最冷人造物质的世界纪录。这一成果已发表于国际顶级学术期刊《科学》，不仅大幅刷新了2021年德国团队38皮开尔文的纪录，更将人类对极低温的探索推向新高度。

9.7皮开尔文是什么概念？1皮开尔文等于10⁻¹²开尔文，即万亿分之一开尔文；9.7皮开尔文相当于室温（约300开尔文）的10⁻¹⁴量级——比日常环境低14个数量级。在如此极端低温下，原子热运动近乎停滞，量子效应主导其行为，为研究玻色-爱因斯坦凝聚、量子相变乃至模拟早期宇宙条件提供了理想平台。

实现这一突破的核心在于中国空间站独有的微重力环境。地面冷原子实验长期受限于重力干扰：原子在冷却过程中易受重力牵引而快速下落，导致束缚场必须增强以维持原子云稳定，但强束缚会引入额外能量，限制降温极限；同时，观测窗口通常不足0.05秒。而在空间站微重力条件下，原子可长时间悬浮，仅需极弱光阱即可实现深度冷却与长时观测。本次实验中，原子云稳定存在达7秒，为地面实验的140倍以上。

技术路径上，中国团队采用“全光阱冷却”方案，区别于国际主流的原子芯片磁阱路线。该方案通过多束精确调控的激光构建三维交叉光阱，避免磁场干扰，兼容后续光晶格实验拓展，系统鲁棒性更强。整个冷却流程分为两阶段：首先利用磁光阱与光学黏团技术对铷蒸汽进行预冷却至微开尔文量级；随后转入科学腔，通过两级交叉光阱实施蒸发冷却与深度冷却，最终抵达9.7皮开尔文。

工程实现难度极高。地面同类实验系统体积约20立方米、重达10吨，而中国空间站超冷原子物理实验柜被压缩至0.7立方米、500公斤，集成超高真空系统、高功率光纤激光器阵列、精密光学平台与自动控制系统，满足航天级可靠性、低功耗与抗振动要求。其中，20余束激光需精准汇聚于直径数十微米的原子云区域，定位误差不超过5微米——约为头发丝直径的十分之一。该设备于2022年随梦天实验舱入轨，历经多年在轨调试与远程操控验证，终获突破性成果。

项目由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头，联合北京大学、中国科学院上海光学精密机械研究所共同完成，历时约15–16年攻关。从毫开尔文（氦-3超流）、微开尔文（激光冷却）、纳开尔文（玻色-爱因斯坦凝聚），到如今的皮开尔文量级，每一次温度下探都依赖整套技术体系的协同跃升。

科学价值远不止于“破纪录”。在9.7皮开尔文下，原子德布罗意波长显著延长，相干时间大幅提升，使原子干涉仪灵敏度跃升百万倍。理论上，此类装置可探测十米外1千克质量引起的引力扰动——远超现有重力梯度仪能力。这为地球物理勘探（如矿藏、地下水、地下空洞识别）、广义相对论高精度检验（时空弯曲测量）、以及超轻暗物质候选粒子（如轴子类粒子）的间接探测开辟了新路径。

此外，相关技术可直接迁移至高精度惯性导航系统。不依赖卫星信号的原子干涉陀螺与加速度计，有望在未来深空探测任务中提供自主定位能力；空间原子钟同步精度亦将受益于超冷原子源的稳定性提升，支撑下一代全球时空基准建设。

值得注意的是，尽管绝对零度（0 K，即-273.15°C）在热力学第三定律框架下不可达，但每逼近一个数量级，都意味着对量子多体系统理解的深化。此次成果并非孤立事件，而是中国空间科学从“跟跑”转向“并跑”乃至“领跑”的缩影——在基础物理前沿，我们正逐步掌握定义标准的能力。

目前，该实验柜仍在持续运行，科研团队计划进一步开展量子涡旋动力学、多组分超冷混合气体及光晶格中量子模拟等实验。随着中国空间站进入常态化运营阶段，更多“太空实验室”将产出颠覆性成果，而极低温物理，正成为其中最具潜力的方向之一。