解密“宇宙最冷處”

11月8日，中國空間站夢天實驗艙主要科學載荷之一——超冷原子物理實驗柜（簡稱超冷柜，CAPR）順利完成首次自檢，接下來將開展相關平臺任務。

這是中國首個空間微重力超冷原子物理實驗平臺，也是繼美國后,全球第二個空間站超冷原子柜。這個超冷柜有哪些巧妙構思和精巧設計，它能達到什么樣的溫度極限，到太空能做什么樣的科學實驗？

為此，《中國科學報》邀請到中科院上海光學精密機械研究所研究員、超冷原子物理實驗柜科學實驗系統副主任設計師李唐，中科院上海光學精密機械研究所副研究員、超冷原子物理實驗柜科學實驗系統副主任設計師汪斌，北京大學電子學院二級教授、超冷原子物理實驗柜科學實驗系統首席科學家陳徐宗，北京大學電子學院助理研究員、超冷原子物理實驗柜科學實驗系統副主任設計師熊煒四位科學家，為我們解密“宇宙最冷處”。

“超冷實驗柜其實是個在空間站進行超冷原子物理實驗的實驗室。它利用激光冷卻技術，將原子冷卻到pK（10-12，離絕對零度只有百億分之一度）量級。并在此基礎上開展超導機理、拓撲相變，包括基本標準模型檢驗等重大物理研究。”李唐介紹說。

“在空間站內建立一個‘超冷原子物理實驗室’的要求非常苛刻。”汪斌補充道，“除相關指標較高外，還要解決體積、重量、功耗等資源方面的限制，并能滿足載人航天的安全性、可靠性、可在軌維修等特殊要求。”

在地球上建一間超冷原子物理實驗室通常需要30立方米以上的空間，各種設備加起來達數噸重，而且其功耗很高（幾千瓦），再加上開展科學實驗所需物資，實驗室所占資源巨大。而在空間站有限的空間內，直接把地面實驗室“搬”上去絕對行不通。

“這涉及一系列技術更新，比如，原來傳統實驗室的激光系統不能用了，我們針對激光系統進行攻關，攻克了全光纖激光技術、大頻率激光鎖相技術、高精度激光功率穩定技術等一系列難關，在超冷原子系統上利用全光纖激光鏈路實現玻色—愛因斯坦凝聚，并達到預定指標。”汪斌說。

針對載人航天的特殊要求，研究團隊還攻克了超高真空長時間斷電保持技術、針對超冷原子物理實驗的特點開發了CPLD/FPGA電路控制技術、高精度振動隔離技術。最終，將一個傳統實驗室“壓縮”小成1立方米以下的超冷原子物理實驗柜（體積小于1立方米、重約300公斤、功耗約700瓦）。

據陳徐宗介紹，超冷原子柜的特色是獲得“宇宙中最低的溫度”，得到愛因斯坦在1925年預言的第五種物質狀態，利用這種宇宙中最冷的物質開展科學實驗。

“在冷卻方案上和科學實驗上，我國的實驗柜和美國空間站的CAL(冷原子實驗室）不同。”陳徐宗解釋說，美國CAL用傳統的磁場加射頻場的方法蒸發冷卻，我們采用“三維全光阱的方案”進行兩級冷卻，在起始獲得溫度上比美國方案更低，而且可以更方便地進行量子模擬等各種實驗。

“美國CAL2018年5月發射，目前報道的結果是52pK，中國方案提出的指標比較保守（優于100pK）。”熊煒介紹說，“實際上，科學家在地面上已經獲得了溫度在百pK量級的冷原子氣體，“預計在空間站微重力環境下，溫度能低一兩個量級（約10pK）。”

超冷原子物理實驗柜工作后，首先要將原子溫度降低到nK至百pK量級，非常接近絕對零度（0K=-273.15攝氏度）。

“這是人類對溫度極限的追求。”李唐說，在pK溫度下可開展一系列科學實驗。從2023年1月至2032年12月，實驗計劃是量子模擬，量子新物態，基本物理理論的檢驗，暗物質、希格斯模型的檢驗等四大類。通過這些實驗，我們可以發現新的物理現象，檢驗基本物理定律，推動基礎物理研究的進步。

超冷原子物理實驗柜的目標是在中國空間站內建設具有超低溫、大尺度、高質量并適合長時間精密測量的玻色與費米量子簡并氣體開放實驗平臺，為超冷原子物理研究提供一個長期在軌穩定運行的實驗系統。既然是開放超冷原子物理實驗平臺，就需要滿足不同的超冷原子科學實驗的需要。

在該系統設計之初，研究團隊在國內外進行了廣泛的項目征集，針對征集到的項目進行分類，并對目前超冷原子物理熱點、難點實驗項目進行資源上的梳理、合并、歸納。在空間站建造期有限的外部資源限制的條件下，提供了光阱、三維光晶格、六角光晶格等超冷原子物理實驗常用的條件，滿足前期在軌超冷原子物理科學實驗需求。同時針對超冷原子物理實驗系統進行了模塊化設計，并開發了強大靈活的軟件系統。針對不同的冷原子科學實驗，超冷柜科學實驗系統根據地面計劃和指令，調用不同的模塊和相應的實驗時序，滿足不同超冷原子物理實驗在空間站正常運行。