解密宇宙最冷处

　　来源：中国科学报
　　作者：张双虎
　　日前，中国空间站梦天实验舱主要科学载荷之一超冷原子物理实验柜（以下简称超冷柜，CAPR）顺利完成首次自检，将开展相关平台任务。
　　这是中国首个空间微重力超冷原子物理实验平台，也是继美国后全球第二个空间站超冷原子柜。这个超冷柜有哪些巧妙构思和精巧设计？能达到什么样的温度极限？到太空能做哪些科学实验？
　　为此，《中国科学报》邀请中科院上海光学精密机械研究所研究员、超冷原子物理实验柜科学实验系统（以下简称科学实验系统）副主任设计师李唐，中科院上海光学精密机械研究所副研究员、科学实验系统副主任设计师汪斌，北京大学电子学院教授、科学实验系统首席科学家陈徐宗，北京大学电子学院助理研究员、科学实验系统副主任设计师熊炜等4位科学家，解密宇宙最冷处。
　　超冷柜其实是一个在空间站进行超冷原子物理实验的实验室。它利用激光冷却技术，将原子冷却到pK（1012，离绝对零度只有百亿分之一度）量级，并在此基础上开展超导机理、拓扑相变、基本标准模型检验等重大物理研究。李唐介绍。
　　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。汪斌补充道，除了相关指标较高外，还要解决体积、重量、功耗等资源方面的限制问题，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，而且其功耗很高（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。而在空间站有限的空间内，直接把地面实验室搬上去绝对行不通。
　　这涉及一系列技术更新。比如，原来传统实验室的激光系统不能用了，我们针对激光系统进行攻关，攻克了全光纤激光技术、大频率激光锁相技术、高精度激光功率稳定技术等一系列难关，在超冷原子系统上利用全光纤激光链路实现玻色爱因斯坦凝聚，并达到预定指标。汪斌说。
　　针对载人航天的特殊要求，研究团队还攻克了超高真空长时间断电保持技术，针对超冷原子物理实验特点开发了CPLDFPGA电路控制技术、高精度振动隔离技术。最终，将一个传统实验室压缩成1立方米以下的超冷柜（体积小于1立方米、重约300公斤、功耗约700瓦）。
　　据陈徐宗介绍，超冷柜的特色是获得宇宙中最低的温度、得到爱因斯坦1925年预言的第5种物质状态、利用这种宇宙中最冷的物质开展科学实验。
　　在冷却方案和科学实验上，我国的实验柜和美国空间站的CAL（冷原子实验室）不同。陈徐宗解释说，美国CAL用传统的磁场加射频场的方法蒸发冷却，我们采用三维全光阱的方案进行两级冷却，在起始获得温度上比美国方案更低，而且可以更方便地进行量子模拟等各种实验。
　　美国CAL于2018年5月发射，目前报道的结果是52pK，中国方案提出的指标比较保守（优于100pK）。熊炜介绍说，实际上，科学家在地面上已经获得了温度在百pK量级的冷原子气体，预计在空间站微重力环境下，温度能低一两个量级（约10pK）。
　　超冷柜工作后，首先要将原子温度降低到nK至百pK量级，非常接近绝对零度（0K273。15摄氏度）。
　　这是人类对温度极限的追求。李唐说，在pK温度下可开展一系列科学实验。2023年1月至2032年12月，实验计划是量子模拟、量子新物态、基本物理理论检验，以及暗物质、希格斯模型检验等四大类。通过这些实验，我们可以发现新的物理现象，检验基本物理定律，推动基础物理研究的进步。
　　超冷柜的目标是在中国空间站内建设超低温、大尺度、高质量并适合长时间精密测量的玻色与费米量子简并气体开放实验平台，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。既然是开放超冷原子物理实验平台，就需要满足不同超冷原子科学实验的需要。
　　在该系统设计之初，研究团队在国内外进行了广泛的项目征集，针对征集到的项目进行分类，并对目前超冷原子物理热点、难点实验项目进行资源上的梳理、合并、归纳。在空间站建造期有限的外部资源限制条件下，他们提供了光阱、三维光晶格、六角光晶格等超冷原子物理实验常用条件，满足前期在轨超冷原子物理科学实验需求。
　　同时针对超冷原子物理实验系统进行了模块化设计，并开发了强大灵活的软件系统。针对不同的超冷原子科学实验，超冷柜科学实验系统根据地面计划和指令，调用不同的模块和相应的实验时序，满足不同超冷原子物理实验在空间站正常运行。
　　在空间站运营期，超冷柜项目组会持续关注该学科的发展、相关技术的进步，结合超冷柜现有资源，在国内外广泛征集超冷原子物理相关科学实验项目，对超冷柜相关模块进行持续、小幅的升级改造，必要时对超冷原子物理实验系统控制、软件系统进行再升级、重构，以满足后续科学实验项目新的需求。汪斌说。