接近绝对零度：国际空间中的超冷原子气泡为量子研究另辟蹊径

近日，在美国国家航空航天局(NASA)的冷原子实验室(CAL)内，科学家将超冷原子气体形成超冷原子气泡，有助于为量子研究开辟新途径。相关成果发表在《自然》(Nature)。

　　图片来自《自然》(Nature)

　　自NASA阿波罗计划以来，美国宇航员已经记录了液体在微重力环境下与地球上的不同表现：在微重力环境下，液体结合成漂浮的球体，而不是地球上所看到的底部较重、下垂的水滴形状。

　　微重力是指重力似乎非常小的情况，人或物体在这种环境下看起来处于失重状态。当宇航员和物体在太空中漂浮时，可以看到微重力产生的影响。在微重力条件下，宇航员可以在宇宙飞船里漂浮，或者在宇宙飞船外进行太空漫步。重物在微重力条件下也能够被轻易移动。例如，宇航员用指尖可以移动数百磅重的设备。

　　微重力不是由地球引力产生，而是由于太空残余大气等因素造成。NASA表示，微重力并非零重力，不可混为一谈。

冷原子实验室于2018年3月向国际空间站发射，并在发射几个月后安装完成。它由两个标准化容器组成：如图所示，左边的冷原子实验室科学仪器包含了科学模块，可以将原子冷却到接近绝对零度(绝对零度为零下273摄氏度)，其大小约为一个小型冰箱;右边较小的容器则包含了其它所需硬件。冷原子实验室可以利用国际空间站的微重力环境，来进一步研究量子现象。

　　图片来自NASA/JPL

　　此次，利用前述冷原子实验室，研究人员提取了冷却到绝对零度以上百万分之一度以内的原子样本，并将它们塑造成极薄的空心球体。超冷原子气体开始是一个小的圆团，像一个蛋黄，然后被塑造成更像是薄蛋壳的形状。在地球上这样的尝试屡屡失败，这是由于地球上原子会向下聚集，形成的形状更像是一片隐形眼镜，而非气泡。

这种超冷原子气泡可以用于研究一种奇特物质状态的新型实验，即第五种物质状态(不同于气体、液体、固体和等离子体)，这种物质状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。

　　图片来自NASA/JPL

　　在BEC中，科学家可以在肉眼可见的尺度上观察原子的量子特性。例如，原子和粒子有时表现得像固体，有时表现得像波，即呈现出“波粒二象性”的量子特性。

　　前述研究并不需要宇航员的协助。这些超冷原子气泡是在冷原子实验室密封的真空室中制造的，利用磁场轻轻地操纵气体，以形成不同的形状。而冷原子实验室可由美国NASA喷气推进实验室远程操作。其中最大的气泡直径约为1毫米，厚度为1微米(即千分之一毫米)。

　　“这些并不像普通的肥皂泡，”论文主要作者、位于南加州的美国NASA喷气推进实验室冷原子实验室科学团队成员David Aveline说道，“据我们所知，自然界中没有什么比冷原子实验室产生的原子气体温度更冷。所以我们利用这种非常独特的气体，开始研究它形成完全不同的几何形状时的表现。从历史角度看，当一种材料以这样的方式被操控时，就会产生非常有趣的物理现象，以及新的应用。”

　　国际空间站中的超冷原子气泡形成，视频来自NASA/JPL(00:16)

　　将材料放置在不同物理条件下是理解材料特性的关键，这通常也是为其找到实际应用的第一步。

　　在国际空间站上使用冷原子实验室进行前述实验，使科学家能够更好地消除重力影响，重力通常会影响流体的运动和表现。

　　在目前形成的超冷原子气泡基础上，科学家下一步打算将组成这些气泡的超冷气体转变为BEC状态，并观察其表现。

　　“冷原子实验室的主要目标是基础研究，我们想利用空间站独特的太空环境来探索物质的量子特性，”NASA喷气推进实验室冷原子实验室项目科学家Jason Williams说道，“以新的几何形状研究超冷原子就是一个不错的例子。”