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 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 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) 我国梦天实验舱中的超冷原子柜 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。 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。 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。 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 |
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