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从激光冷却到玻色–爱因斯坦凝聚：科学家们是如何打破低温界限的？
在凝聚态物理学中，超冷原子是指接近绝对零度的原子。当温度降至如此低时，原子的量子力学特性开始变得重要。达到这样的低温通常需要结合多种技术，首先通过激光冷却在磁光陷阱中捕获和预冷原子。为了达到可能的最低温度，随后在磁场或光学陷阱中进行蒸发冷却。
诺贝尔物理学奖多次与操控单个原子的量子特性技术的发展相关，涉及1996、1997、2001、2005、2012和2018年等多个奖项。
实验中使用的超冷原子可研究各种现象，包括量子相变、玻色–爱因斯坦凝聚（BEC）、玻色超流、量子磁性、许多体自旋动力学、艾菲莫夫态（Efimov states）、巴丁–库珀–施里弗（BCS）超流，以及BEC–BCS交叉等。一些研究方向还利用超冷原子系统作为量子模拟器，来研究其他系统的物理性质，例如单元子气体及伊辛模型和哈伯德模型的行为。另外，超冷原子也可能用于实现量子计算机。
历史背景
超冷原子的样本通常通过稀薄气体与激光场的相互作用来准备。早在1901年，列别捷夫（Lebedev）及尼科尔斯和霍尔（Nichols and Hull）就独立证明了光对原子的辐射压力效应。 1933年，奥托·弗里施（Otto Frisch）展示了由钠灯产生的光对个别钠粒子产生的偏转。激光的发明促进了利用光操控原子技术的发展。 1975年，科学家首次提出利用多普勒效应使与原子速度相关的辐射力进行冷却的方法，即多普勒冷却。
应用三维多普勒冷却后，原子可减速至每秒几厘米的速度，产生所谓的光学浆。通常，这些实验的中性原子来源为热炉，它们的工作温度可达几百开尔文，从这些炉内的原子以每秒数百米的速度运动。多普勒冷却的一大技术挑战在于增加原子与激光光互动的时间，这一挑战通过引入Zeeman慢冷装置得以克服。 Zeeman慢冷装置利用空间可变的磁场，保持涉及多普勒冷却的原子过渡的相对能量间隔，从而增加原子与激光光交互的时间。
1987年，由Raab等人所发展的第一个磁光陷阱（MOT）标志着超冷原子样本制备向前迈进了一大步。 MOT的典型温度在数十到数百微开尔文。磁光陷阱通过施加磁场来空间上限制原子，并使激光不仅力量依赖于速度，还会施以空间变化的力量。 1997年，诺贝尔物理学奖由史蒂芬·朱（Steven Chu）、克劳德·科恩-塔纳乌季（Claude Cohen-Tannoudji）及威廉·D·菲利普斯（William D. Phillips）获得，以表彰他们在激光冷却和捕获原子的方法上的贡献。
为了探索由萨蒂延德拉·那特·玻色（Satyendra Nath Bose）和阿尔伯特·爱因斯坦所预测的新物质状态，蒸发冷却技术被运用，以通过让样本中最热的原子逃逸来降低样本的平均温度。 2001年，埃里克·A·科奈尔（Eric A. Cornell）、沃尔夫冈·凯特勒（Wolfgang Ketterle）和卡尔·E·维曼（Carl E. Wieman）因在稀薄气体的玻色–爱因斯坦凝聚上的重要成就而获得诺贝尔奖。
应用前景
超冷原子因其独特的量子特性及实验控制的潜力而有着多样的应用。这些原子被认为是量子计算和量子模拟的重要平台，伴随着活跃的实验研究以实现这些目标。在凝聚态物理的背景下，量子模拟令人兴奋，因其可能为相互作用的量子系统的性质提供有价值的见解。超冷原子被用作模拟任何感兴趣的凝聚态系统，透过可用工具的实验探索那些在实际的凝聚态系统中难以获得的量量。此外，超冷原子甚至能创造出某些自然界中不会观察到的奇特物质状态。
所有原子都是相同的，这使得原子集合成为理想的通用计时工具。 1967年，第二的SI定义改为以铯原子中的超精细能级跃迁频率为准。基于碱土金属原子或碱土模拟离子的原子钟已经开发，这些原子使得光学跃迁的狭带线特性成为可能。为了实现高数量的非相互作用原子，以提高这些计时器的精度，中性原子可在光学晶格中捕获，而离子陷阱则能提供长时间的检测。
超冷原子还能在通过低热噪声和在某些情况下利用量子力学超越标准量子极限的范畴中，进行精密测量的实验。除了潜在的技术应用，这些精密测量还可以检验我们目前对物理学的理解。
未来，面对前所未有的低温技术，我们应该思考：“这些超冷原子能为我们理解宇宙的本质提供怎样的启示？”
