德国物理学家在量子气体中创造了史上最低温度

光子盒研究院出品

最近，德国不来梅大学的物理学家在实验中创造了史上最低温度，仅比绝对零度高出38万亿分之一度。通过让量子气体自由下落，并反复打开和关闭磁场，使其中的原子几乎完全静止。

该研究发表在《物理评论快报》杂志上。

绝对零度即-273.15 °C，是热力学尺度上可能的最冷温度，代表根本没有原子运动或热量的点。要使物体达到该温度，其原子中的原子运动或者说动能必须为零，这意味着科学家不可能真正达到绝对零度。然而，例如在国际空间站的冷原子实验室进行的实验的温度低至100nK，这比绝对零度仅高百万分之一度。

然而，来自不来梅大学的团队打破了之前的记录，在其实验中记录了38pK的温度，即比绝对零度高38万亿分之一度。该团队解释说，“在研究原子的波动特性时，在不来梅大学的应用空间技术和微重力中心(ZARM)中创造了‘宇宙中最冷的地方’之一，并持续了几秒钟。” 

在他们的实验中，该团队在真空室的磁场中捕获了一个由10万个铷原子组成的气体云。然后将其冷却成一种称为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的量子气体。由于量子气体行动一致，它们就像一个大原子一样，科学家利用它们在实验中观察宏观尺度上不寻常的量子效应，以期增强他们对量子力学的认识。

为了达到所需的温度，研究人员在不来梅Drop Tower研究设施中让 BEC自由下落。BEC从393.7英尺(120 米)的高度下落，在这一过程中，他们反复关闭和打开含有气体的磁场。

当磁场关闭时，气体开始膨胀，而当磁场恢复时，气体被迫再次收缩。这种转换使气体的膨胀几乎完全停止，并且通过降低分子速度有效地降低了温度。 

虽然实验只能设法维持这个破纪录的温度最多两秒钟，但模拟表明它应该可以在失重的环境中保持长达17 秒，例如在国际空间站上。在太空中，科学家可以使用更弱的力来限制原子，因为它们不会受到重力的影响。这意味着进一步的研究最终可能会在国际空间站的冷原子实验室(CAL)进行。2021年，天文学家报告说，在BEC实验中产生了“第五种物质状态”。CAL于2018年由SpaceX火箭运送到太空，此后一直用于观察地球上无法检测到的量子现象。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.100401

[2]https://newatlas.com/physics/coldest-temperature-recorded-quantum-gas-freefall/

[3]https://interestingengineering.com/quantum-gas-broke-the-low-temperature-record-after-a-sharp-free-fall

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