量子物质绕地球运行

被称为玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)的物质状态最早是在25年前1，2年前观测到的，从那时起，这些量子物体就成为研究量子物理的关键工具，它们通常在世界各地的数百个实验室生产。Aveline等人在“自然”杂志上撰文。3报道了在绕地球轨道运行的国际空间站上产生的铷BEC。空间站上永久自由落体的条件为探测BEC和进行广泛的高精度测量提供了新的方法。

当被捕获的玻色子原子(质子和中子总数为偶数的原子)的密集云冷却到绝对零度4，5附近的温度时，就会产生BEC。在这些超冷的系综中，原子主要占据陷阱的最低能态。量子力学的一个中心原则是波-粒子二元性，即每个粒子都可以描述为物质波。BEC是测试量子力学的有用物体，因为整个原子云可以被视为单一的物质波。这一性质称为量子简并。

玻色-爱因斯坦凝聚是通过使用几种涉及光场和磁场组合的方法冷却原子云来实现的。通常使用的最后一步被称为蒸发冷却6。在这种方法中，原子被限制在磁阱中，而那些动能最高的原子(最热的原子)利用射频辐射被赶出陷阱。剩下的原子相互碰撞，在低于初始温度的平均温度下达到热平衡。重复该过程，直到形成BEC。

正如所讨论的，玻色-爱因斯坦凝聚需要低温，在低温下原子几乎不会运动。然而，当BEC从磁阱中释放出来以便进行实验时，原子之间的排斥相互作用会导致云团膨胀。在几秒钟内，BEC变得太稀而不能被检测到。通过减小陷阱的深度，从而减小陷阱中的原子密度，可以降低扩张率。

在地球上，行星的引力限制了可能的磁阱的形状，以至于需要一个深陷阱来限制BEC(图1A，b)。相比之下，Aveline和他的同事们发现，国际空间站上极弱的重力(微重力)允许使用浅陷阱创建铷BEC。因此，作者可以在大约一秒的膨胀后研究BEC，而不需要进一步操纵原子。

在发布BEC之前，Aveline等人。观察到紧密捕获的凝聚液被晕状的铷原子云包围，并与之相互作用。在蒸发冷却过程中，这些原子被转移到对磁场不敏感的状态。由于一种名为二阶塞曼效应7的现象，这些原子通过它们的量子力学性质与陷阱之间的相互作用很弱。在地球上，这些原子将被主导的重力从陷阱中移走。然而，在轨道上，它们仍然留在陷阱中，例如，可以用来直接生产密度极低的超冷原子样品。

作者的实验仅仅标志着许多关于量子简并气体的激动人心的研究的开始。例如，微重力允许使用地球上不能正确使用的陷阱形状(如气泡8的形状)来约束或引导原子(图1C)。未来关于这种原子演化的工作将为我们提供对少体物理的洞察力。此外，还计划对钾和铷9的量子气体混合物进行实验。

绕地球轨道运行的BECs还可以推进原子干涉测量-一种基于物质波之间干涉的测量技术。原子干涉仪对惯性力的灵敏度与原子在干涉仪10中停留时间的平方成正比，在地面上，这一时间受自由落体时间的限制。微重力设施，如火箭10、飞机11和“降落塔”12以前曾被用来解决这个问题，但绕地球轨道运行的原子干涉仪将实现更多的实验周期。

对于未来空间高精度测量的目标，对所有系统效应的透彻分析和地面开发技术的实施是至关重要的。这样的测量可以提供对自由落体普适性(所有物体在外部引力场中加速相同的原理)和暗能量理论(被认为导致宇宙加速膨胀的未知能量)的严格测试。预期的灵敏度也将使BEC干涉术在卫星导航、探测和对地观测方面引起人们的兴趣。

Aveline和他的同事们的技术成就令人瞩目。他们的设备需要满足国际空间站对质量、体积和功耗的严格要求，并且足够坚固，可以在不需要维修的情况下运行数年。作者的地球轨道BEC为量子气体和原子干涉测量的研究提供了新的机会，并为更雄心勃勃的任务铺平了道路。