北大牵头！它被送上太空！
2022年10月31日下午3点37分
空间站“梦天实验舱”成功升空入轨
这是中国向独立组建空间站迈出的关键一步
也是中国太空雄心的里程碑时刻
在梦天实验舱里有一位
全新的客人——超冷原子柜
它将创造宇宙中最低的温度
这标志着我国成为了
第二个将超冷原子柜带到太空的国家
它也是世界领先的
中国首个微重力超冷原子物理实验平台
超冷原子柜是什么？
为什么要研发并将其送入太空？
北大人做了哪些努力？
让我们一起走进这个
“迷你版”太空超冷原子实验室
中国空间站梦天实验舱发射现场（图源：新华社）
它制造出宇宙中的冷物质
超冷原子物理实验柜作为梦天实验舱的主要科学载荷之一，期望为超冷原子物理研究提供一个长期在轨稳定运行的实验系统，是世界领先的中国首个微重力超冷原子物理实验平台。
原子物理学，是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。超冷原子物理是原子物理学的一个分支，主要利用激光制冷技术使原子处于极低的温度来研究、应用和控制原子的技术。所谓“超冷”，是指原子作为整体的平动速度极低，对应温度低于微开（μK) 量级(十的负六次方开尔文，绝对零度0K约等于-273摄氏度，室温27摄氏度，对应绝对温度：300K) 。如此低温度下的原子体系，体现若干新的现象，遵从新的物理规律。超冷原子柜的目的是在太空中实现温度最低（100pK以下）的第五种物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），这是爱因斯坦在1924年预言的新的物质状态，1995年美国科学家才在实验上获得这种物质，2001年诺贝尔物理奖曾颁发给获得这种物质的三位科学家。当时的科学家得到的温度是70nK, 而北京大学联合中国科学院多个研究所在空间站要挑战极限，获得比他们低三个数量级的温度的第五种物质状态，在此基础上开展系列量子模拟和物理定律精密验证的科学实验。
温度的标度和空间站上实现的温度示意图（左边对应五次物质冷却的诺贝尔奖得主，实验年份、获奖年份及温度）
在地球上建一间超冷原子物理实验室通常需要30立方米以上的空间，各种设备加起来重达数吨，而且其功耗高达几千瓦，再加上开展科学实验所需物资，实验室所占资源巨大。在空间站内建立一个超冷原子物理实验室的要求非常苛刻，除了相关指标较高外，要求体积小（1.5立方米）、重量轻（500公斤）、功耗低（1000瓦），并能满足载人航天的安全性、可靠性、可在轨维修等特殊要求。在现有条件下，科学家们打算将在地球上制作一个“迷你”超冷原子物理实验室，再将其送入太空进行实验。就这样，凝聚着科学家们格物致知追求的超冷原子柜应运而生。
美国送至国际空间站的冷原子实验室
我国梦天实验舱中的超冷原子柜
超冷原子物理实验柜作为梦天实验舱的主要科学载荷之一，期望为超冷原子物理研究提供一个长期在轨稳定运行的实验系统，是世界领先的中国首个微重力超冷原子物理实验平台。其研制目的是利用太空环境，制备地面无法实现的、距离绝对零度以上千亿分之一度范围内的超低温量子气体。在太空中的微重力环境下，因无需补偿重力势，冷原子气体的囚禁势深度可以绝热地降低到更小的数值，从而使量子气体的温度降低到地面上前所未有的水平。在如此低的温度下，原子热效应被充分抑制，物质波的可观测时间增加至三个数量级。
此外，微重力环境下还可以实现超大尺寸的BEC，从而更精确地控制和观测宏观相干物质波。具有极低温度与超大尺寸的BEC不仅在更为宏观的空间范围内展示物质波的波包塌缩等量子特性，而且极大地抑制了原子系综的有限温度效应，为研究纯净的量子相变过程提供了可能。同时，由于在大尺寸BEC中超弱长程效应变得尤为重要，因此有可能观察到全新的低能量子相变。
超冷原子柜的工作原理（图源：中科院之声）
具有这些特性的原子气体提供了一个独特窗口和全新视角来直接观察其独特的原子行为，以地面上不可能的方式进入量子力学的奇异世界，超越地面的限制而获得重大的基础科学突破，理解物理本质，为基本物理定律提供更高精度的检验。科学家能够开展超越地面的量子模拟和物理定律精密验证的科学实验，这对于解决量子力学领域的争议问题、发现新的物质形态和探测超轻暗物质等都具有重要意义。
超冷原子物理实验柜突破了全光纤激光链路、高精度激光稳定、大电流磁阱控制、超高真空长时间断电保持、高精密光机、高精度振动隔离等一系列关键技术，将地面上庞大复杂的冷原子实验室集成为符合载人航天标准的、可在轨自动运行的、高可靠空间冷原子实验平台，为我国的空间原子物理基础研究和量子技术应用奠定基础。
十二载技术攻关，北大人助力梦天
北京大学作为“科学总体”单位合作研制的超冷原子柜从申请、关键技术攻关到正样机研制，历时12年终于随梦天舱进入轨道，与核心舱对接。
空间超冷原子物理实验平台项目由北京大学担任“科学总体”单位，联合中国科学院多个研究所共同实施推进。本项目旨在利用载人空间站提供的舱内空间环境条件，以及航天员在轨操作维护能力，基于外部机、电、热、信息、测控等资源约束，研制超冷原子物理实验柜，支持空间超冷原子物理研究。在我国空间站内建立超冷原子物理实验平台，建成能够提供超低温、大尺度、高质量、适合长时间精密测量的玻色-爱因斯坦凝聚态开放实验系统，开展前沿的基础物理研究，能够推动量子物理与精密测量物理的发展和新型量子器件的开发，实现冷原子物理技术的应用。
北京大学和中科院上海光机所科学实验团队在正样和初样机调试时合影（摄影：史晨）
作为超冷原子柜的科学牵头单位，北京大学在玻色-爱因斯坦凝聚研究方面有着长期的积累，早在2011年，北大就开始申请中国载人航天项目，空间超冷原子物理实验平台项目经过几轮挑选终于被选入。2015年，北大与中科院上海光机所合作研制超冷原子柜，北大负责研制地面原理样机，并给出正样机设计的关键指标，参与各阶段的调试，提出在空间如何将玻色-爱因斯坦凝聚的温度和等效温度降到比地面低2至3个数量级的实验方案以及第一个量子模拟科学实验的方案，并进行地面验证。
如何既满足冷原子实验系统性能要求，又满足空间站指标要求是这一项目的难点所在。为了满足空间的特殊环境，团队发展了八种新技术：全光纤激光技术、大频率激光锁相技术、高精度激光功率稳定技术、CPLD/FPGA电路控制技术、大电流磁阱控制技术、断电后高真空保持技术、高精度光机技术及高精度振动隔离技术，提出了适合微重力环境的的两级冷却方案。最终的空间超冷原子物理实验柜包括超冷原子物理实验平台和支撑系统两部分，前者又分为物理子系统、实验电子学系统和激光光源，共同创造超低温度条件实现超冷原子的量子调控；后者主要包括实验柜体、实验柜热控和实验柜电子学，以适应载人空间站的舱内空间环境条件和资源约束，便利航天员的操作。
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，与中科院上海光机所所长、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，经过七年的攻关研制，最终完成了正样机，其各项指标在地面测试中均获得了理想的结果，并成功随梦天舱发射。
超冷原子柜
这是具有里程碑意义的一次飞跃。北京大学作为科学总体单位合作研制的超冷原子柜从申请、关键技术攻关到正样机研制，历时12年终于随梦天舱进入轨道，与核心舱对接。未来，超冷原子物理实验柜将作为空间站微重力环境下的开放实验平台，助力基础物理研究的新突破。
