略高於絕對零度的原子雲
研究團隊表示，中國科學家在中國太空站的問天實驗艙內，將一團銣原子冷卻至相當於 9.7 皮開爾文的溫度，並觀察其膨脹達 7 秒。這項成果結合了極低溫度與長時間觀測兩項條件，有助科學家更精確地測量重力並探究量子行為。
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中國科學院空間應用工程與技術中心於 2026 年 11 月 6 日公布這項成果。研究題為《太空中低於 10 皮開爾文的量子氣體》，已在線刊登於《科學》（Science）。該中心與北京大學及中國科學院上海光學精密機械研究所共同主導此計畫。
研究團隊稱這項成果創下人工物質最低溫紀錄。9.7 皮開爾文約為不來梅大學團隊 2021 年達成的 38 皮開爾文的四分之一，也不到美國國家航空暨太空總署（NASA）冷原子實驗室於 2022 年在國際太空站達成的 52 皮開爾文的五分之一。
一皮開爾文是 1 兆分之 1 開爾文。因此，這項新紀錄相當於高於絕對零度 0.0000000000097 開爾文；絕對零度相當於攝氏零下 273.15 度。科學家根據釋放後原子極其緩慢的膨脹，計算出這個等效溫度。這個溫度描述的是設備內微小原子雲的運動狀態。
在地球上方約 400 公里的太空站，實驗利用微重力環境減弱束縛原子的作用力，並得以比地面小型實驗室更長時間地觀察原子。
科學家所說的原子冷卻是什麼
銣原子通常以不同速度朝各個方向運動。冷卻會減少一群原子內部的隨機運動。在極低溫和適當密度下，原子可以形成玻色－愛因斯坦凝聚態；在這種狀態中，許多原子共享同一量子態，並以整體方式行為。
凝聚態為研究人員提供較大型且可控制的系統，用以探究通常與單一粒子相關的效應。科學家不必在快速運動中追蹤單一原子，而能製備一團有序的原子雲、改變其周遭環境，並測量其反應。
實驗的等效溫度是根據原子雲釋放後膨脹的速度推算而來。原子相對運動極少的原子雲，膨脹速度極為緩慢。觀察這種膨脹，有助研究人員測定與原子運動相關的能量。
根據熱力學定律，絕對零度仍無法達到。實際目標是充分降低原子運動，以顯現微弱效應，並讓實驗條件在更長時間內維持有效。在這項實驗中，觀測 7 秒是成果的重要一環。
為什麼太空中的 7 秒很重要
地球重力為冷卻實驗帶來兩項相互關聯的難題。研究人員減弱原子陷阱時，重力會將原子往下拉；同時也限制釋放後的原子雲能在觀測腔內停留多久。較弱的陷阱有助冷卻，卻也更難抵抗重力、支撐原子。
太空站及其實驗室設備一同繞地球自由落體，因而形成微重力環境，讓原子在束縛力較弱的情況下仍能停留在設備附近。科學家因此能進一步冷卻原子，並花更長時間觀察其膨脹。
麻省理工學院物理學教授、2001 年諾貝爾物理學獎得主沃夫岡・克特勒（Wolfgang Ketterle）說明了在地球上進行 7 秒實驗所面臨的問題：
在地球上，它會下墜約 250 公尺；除非你有一座高 250 公尺的真空腔，否則它真的會撞到地面。
軌道實驗室透過小型設備提供這段延長的觀測時間。地面研究人員遠端操作設備，運用自動化控制執行精確計時的冷卻流程。
雷射光如何形成原子陷阱
設備內含約 5 克金屬銣，作為原子來源。實驗流程從加熱金屬、釋放蒸氣開始。接著以雷射和磁場捕捉蒸氣中的原子並進行初步冷卻，再將原子轉移至雷射光形成的陷阱中。
研究人員使用兩階段交叉光學陷阱。在光學陷阱中，經過精心安排的雷射光束會產生作用力，將原子束縛在一小塊區域內。降低光強度會使陷阱變淺，讓能量較高的原子逸出。留下的原子平均能量較低，這個過程稱為蒸發冷卻。
最後階段採用非絕熱膨脹，也就是以可控制的方式改變束縛條件，讓原子雲膨脹，進一步降低與其有效溫度相關的運動。這些階段共同將銣原子雲冷卻至 10 皮開爾文以下。
微重力也帶來一項技術難題：光學陷阱中的蒸發冷卻效率較低。研究團隊開發出運用額外磁場梯度的方法，也就是讓磁場強度隨空間位置改變，以協助冷卻流程並製備純度較高的凝聚態。
光學陷阱仍是進階冷卻階段的核心工具，磁場則協助部分製備流程。要協調這些作用，需要精確控制雷射強度、時間安排及周遭擾動。
不同於國際太空站的冷卻方式
NASA 冷原子實驗室曾使用原子晶片形成磁性陷阱、以射頻進行蒸發冷卻，並透過短脈衝進行最後的冷卻。中國團隊則選擇光學束縛、以光強度控制蒸發冷卻，並透過膨脹進行深度冷卻。
研究人員表示，光學陷阱在未來實驗中具有靈活性，且能降低束縛期間對磁性干擾的敏感度。多束雷射也能形成有助量子模擬的結構；量子模擬是利用可控制的原子系統，重現另一種物理系統的特定特徵。
此前的紀錄提供了兩項比較基準。不來梅團隊於 2021 年達成 38 皮開爾文，使用的是落塔短暫創造的微重力環境。國際太空站實驗則於 2022 年達到 52 皮開爾文。中國公布的 9.7 皮開爾文，約比不來梅的紀錄低 3.9 倍，比先前的軌道實驗紀錄低約 5.4 倍。
這項新實驗不只達成低溫紀錄，也觀測原子雲膨脹達 7 秒。對準備精密實驗的研究人員而言，能長時間維持緩慢運動並持續觀測的原子雲，可能比單純刷新溫度紀錄更有用。
從實驗室空間縮小至軌道機櫃
地面設備占用約 20 立方公尺，重約 10 公噸。工程資料指出，整合後的軌道機櫃約為 0.7 立方公尺、重 500 公斤。中心公布的資料另稱，機櫃體積不到 1 立方公尺、重約 300 公斤，功耗約 700 瓦；對於資料中重量的差異，尚未說明原因。
依據詳細工程數據，軌道系統的體積約為地面設備的二十九分之一，重量則為二十分之一。要達成這種縮減，必須讓雷射、精密光學設備、真空設備及電子控制系統在空間受限的環境中協同運作。
開發團隊在雷射系統中採用光纖連接，並使用精密雷射控制、超高真空、自動化電子設備及振動隔離。真空可減少原子與不需要的氣體粒子碰撞，振動隔離則能限制可能擾亂脆弱原子雲的機械擾動。
機櫃也採用模組化設計。研究人員可以依據不同研究選擇實驗模組及時間流程，讓同一平台支援多種量子研究，而不只用於單一冷卻展示。
發射前的重要突破
計畫於 2011 年展開初步評估，遠早於設備進入軌道。2021 年底，團隊一再無法製備後續冷卻階段所需的玻色－愛因斯坦凝聚態，出現關鍵難題。
在決定是否將設備納入預定飛行任務前，開發團隊爭取到額外 10 天處理問題。他們測試並調整整套系統的硬體與軟體。2022 年 1 月 8 日凌晨，凝聚態終於成功形成，為設備進入發射階段掃除一項關鍵障礙。
主要里程碑橫跨十多年：
- 2011 年：開始對太空站超冷原子實驗進行初步評估。
- 2021 年底：凝聚態製備遇到困難，設備能否納入預定飛行任務一度受到威脅。
- 2022 年 1 月 8 日：團隊經過密集排除問題後，成功製備所需的凝聚態。
- 2022 年：設施搭乘問天實驗艙前往太空站。
- 2026 年 11 月 6 日：公布 9.7 皮開爾文的成果，研究並在線刊登於《科學》（Science）。
北京大學教授周小計及中國科學院上海光學精密機械研究所研究員陳衛標是論文共同通訊作者。列為共同第一作者的研究人員包括上海光學精密機械研究所的李唐，以及北京大學的熊偉和金聖傑。
更長時間的測量有望揭示更微弱效應
原子干涉儀是可能受惠於新平台的儀器之一。這類儀器利用原子的波動性質，將原子波分開後再重新組合，藉由形成的圖樣揭示加速度或重力等效應。
德國萊布尼茲漢諾威大學物理學教授恩斯特・拉塞爾（Ernst M. Rasel）說明這類儀器所需的條件：
原子干涉儀能從提供大量超冷原子的來源，以及較長的觀測時間中獲益良多。
拉塞爾說明，干涉儀的靈敏度會隨原子在儀器中停留時間的平方增加。其他條件不變時，時間加倍可使儀器對測量效應的反應提高四倍。因此，延長觀測時間對極微弱訊號尤其重要。
他指出，下一步是發展軌道干涉儀，讓原子波維持相干分離數秒。相干是指保留波之間的關係，使它們重新組合時能產生有效測量結果。這次觀測原子雲達 7 秒，為發展此能力提供了起點。
研究人員設想的應用包括繪製地球重力分布、導航及測定衛星軌道。更精確的重力測量也可能有助追蹤冰川與海洋洋流的變化，因為水和冰的移動會改變地球質量的分布。
量子實驗的平台
這套光學系統可支援光學晶格，也就是以雷射光形成如晶體般排列的原子結構。研究人員可藉由改變排列方式及粒子間的交互作用，在受控條件下探究多粒子系統的行為。
陳衛標指出，量子相變、許多相互作用量子粒子的行為，以及基礎物理理論的檢驗，都是可能的研究領域。計畫也列出與早期宇宙相關的模擬、超輕暗物質搜尋，以及與希格斯模型相關的研究等方向。
這些都是仍待設計與測量的未來實驗。眼前的成果，是取得一個能提供極慢原子的來源，並延長研究人員觀測時間的平台。研究人員也認為，這項技術未來可能用於量子感測器及太空原子鐘。
中國載人航天工程空間應用系統總設計師、空間應用工程與技術中心副主任呂從民邀請世界各地研究人員使用這項設施進行實驗，並分享實驗機會。官方尚未公布申請時程或後續實驗的日期。
克特勒形容這項成果是「推進原子測溫與精密測量的絕佳起點」。原子測溫是測量原子系統溫度的技術，本身仍將是理解並改進這類實驗的重要環節。
重點整理
- 中國太空站團隊表示，已將銣原子雲冷卻至相當於 9.7 皮開爾文的溫度，並觀察其膨脹達 7 秒。
- 實驗在問天實驗艙內進行，使用的設施於 2022 年發射升空。
- 公布的溫度低於不來梅團隊於 2021 年達成的 38 皮開爾文，以及國際太空站於 2022 年達成的 52 皮開爾文。
- 冷卻流程結合光學陷阱、磁場梯度輔助的蒸發冷卻，以及非絕熱膨脹。
- 未來研究方向可能包括量子模擬、原子干涉儀、重力測量及基礎物理檢驗。
