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在美国国家航空航天局（NASA）国际空间站上的冷原子实验室（Cold Atom Lab）设施中，一个国际科学家小组首次在太空中制造出了含有两种原子的量子气体。发表在《自然》（Nature）杂志上的一项新研究概述了这一成果，标志着将目前地球上可用的量子技术带入太空又迈进了一步。
国际空间站上的冷原子实验室能产生“超冷”原子云：这是物质所能达到的绝对最冷温度
通过在地球上进行远程控制的实验，研究人员制造出了玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）——一种由冷却到接近绝对零度的原子气体构成的量子态物质。
罗切斯特大学李-杜布里奇物理学教授兼光学教授尼古拉斯·毕格罗（Nicholas Bigelow）解释说，这些量子工具可以用来加强对量子物质本质的研究、帮助行星之间的导航，以及帮助解开宇宙之谜，加深我们对自然基本规律的理解。
此次实验中，科学家利用国际空间站（ISS）上多用户冷原子实验室（CAL）仪器的升级硬件，报告了所知的首次在太空中同时产生双物种BEC（由87Rb和41K形成）、观测物种间相互作用以及产生 39K 超冷气体的情况。
通过在“神奇波长”上操作单个激光器（在该波长上同时施加的布拉格脉冲的拉比率相等），实验团队进一步实现了首次在太空中同时对两种原子（87Rb和41K）进行原子干涉测量的演示。
干扰两种超冷原子同位素叠加的地面量子传感器在10-12级测试了自由落体的普遍性（UFF）——这是爱因斯坦经典引力理论的核心信条。此次实验中取得的成果，是在太空中对UFF进行量子测试的重要一步，将使科学家们能够在没有引力不对称扰动的情况下，在新的体系中研究少子体物理学、量子化学和基础物理学的各个方面。
冷原子实验室在轨硬件升级
在太空中产生量子混合物
简并87Rb和41K混合物的相互作用
太空中的双种原子干涉测量法
尼古拉斯·毕格罗（Nicholas Bigelow）
美国国家航空航天局（NASA）资助的太空超冷原子联合会（Consortium for Ultracold Atoms in Space）主任毕格罗说：“在基础物理学中，有很多东西在重力作用下实际上限制了你所能进行的精确测量。移除重力可以让你进行更长时间的观测，从而获得更高的测量精度，而且还能让你看到可能被重力掩盖的微妙效应。”
有了这项新能力，冷原子实验室现在不仅可以研究单个原子的量子特性，还可以研究量子化学：后者主要研究不同类型的原子在量子态下如何相互作用和相互结合。
研究人员将能够利用冷原子实验室进行更广泛的实验，并更多地了解在微重力条件下进行实验的细微差别。这些知识对于利用这一独一无二的设施开发新的天基量子技术至关重要。
科学家们旨在破解的一个谜团涉及等效原理：即无论物体的质量如何，重力对所有物体的影响都是相同的。该原理是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的一部分，与描述原子等小物体行为的量子物理定律并不完全吻合。
在此之前，科学家们已经在地球上用原子干涉仪做了实验，看看等效原理在原子尺度上是否成立，但他们可以在冷原子实验室的太空中更精确地测试它。
毕格罗说，科学家们计划利用双原子干涉仪和量子气体进行实验，以高精度测量重力，从而了解宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力——暗能量的性质。
他们所学到的知识可能有助于开发应用广泛的精密传感器。“我们可以制造对微小旋转极为敏感的传感器，并基本上利用玻色-爱因斯坦凝聚物中的这些冷原子来制造陀螺仪。这些陀螺仪可以为我们提供一个固定的太空参考点，用于深空导航。”
“我们还在开发一些可以带来更好的太空时钟的东西，这对现代生活中的许多事情都至关重要，比如高速互联网和全球定位系统。”
参考链接：
[1]https://www.rochester.edu/newscenter/new-tools-will-help-study-quantum-chemistry-aboard-the-international-space-station-573652/
[2]https://phys.org/news/2023-11-scientists-stage-quantum-chemistry-space.html
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/1008244
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