Китайские физики установили новый рекорд охлаждения вещества. На орбитальной станции «Тяньгун» облако атомов рубидия достигло эквивалентной температуры 9,7 пикокельвина, всего на несколько триллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Результат превзошёл предыдущий рекорд почти в четыре раза.
Эксперимент провели специалисты Пекинского университета и Китайской академии наук. Исследователи получили облако примерно из 20 тысяч атомов и смогли наблюдать его свободное расширение в течение семи секунд. Прежнее достижение составляло 38 пикокельвинов при двухсекундном наблюдении. Результаты исследования опубликованы 5 ноября 2026 года в журнале Science.
Температура 9,7 пикокельвина соответствует 0,0000000000097 кельвина. Абсолютный ноль равен минус 273,15 градуса Цельсия и считается нижней границей термодинамической температуры. Однако рекорд не означает, что китайские учёные охладили до такого значения всю экспериментальную установку. Речь об эквивалентной температуре, рассчитанной по скорости расширения атомного облака после освобождения из ловушки.
При экстремальном охлаждении атомы рубидия образовали конденсат Бозе-Эйнштейна, необычное состояние вещества, в котором множество частиц занимает одно квантовое состояние и демонстрирует коллективные волновые свойства. Обычно поведение отдельных атомов приходится изучать с учётом их независимого движения, но в конденсате исследователи могут наблюдать квантовые эффекты на уровне всего облака.
Главным преимуществом космической лаборатории стала микрогравитация. На Земле атомы под действием тяжести быстро покидают область наблюдения, особенно когда удерживающие поля ослабляют ради дальнейшего охлаждения. На орбите облако можно удерживать значительно слабее, а после освобождения наблюдать гораздо дольше. Чем медленнее разлетаются атомы, тем больше времени остаётся для регистрации слабых физических эффектов.
Для эксперимента использовали установку сверххолодных атомов в лабораторном модуле «Мэнтянь». Вместо магнитной ловушки, применявшейся в некоторых предыдущих исследованиях, китайские специалисты создали оптическую дипольную ловушку. Сфокусированные лазерные лучи удерживают атомы в определённой области пространства и позволяют управлять облаком без жёстких ограничений на внутренние магнитные состояния частиц.
Охлаждение проходило в несколько этапов. Сначала лазеры замедляли движение атомов, затем исследователи применили испарительное охлаждение, постепенно удаляя наиболее энергичные частицы. Чтобы повысить эффективность процесса в микрогравитации, физики добавили градиент магнитного поля. Такой подход помог сформировать конденсат, менее чувствительный к магнитным возмущениям.
После получения конденсата атомное облако перенесли в более широкую оптическую ловушку и дополнительно уменьшили энергию его движения. Заключительный этап включал управляемое расширение ловушки, позволившее снизить скорость последующего разлёта частиц. Исследователи освободили атомы и отслеживали изменение размеров облака по трём пространственным осям, рассчитав эквивалентную температуру по результатам измерений.
Полученное значение 9,7 пикокельвина имеет экспериментальную неопределённость. С учётом погрешности измерений температура находилась в диапазоне от 7,0 до 12,9 пикокельвина. Даже верхняя граница заметно ниже прежних достижений. Для сравнения, в экспериментах с магнитными ловушками в условиях микрогравитации ранее получили 38 пикокельвинов, а американская лаборатория холодных атомов на Международной космической станции достигала 52 пикокельвинов.
У рекорда есть существенная техническая особенность. Китайская команда впервые продемонстрировала получение квантово-вырожденного газа в оптической дипольной ловушке в условиях микрогравитации. Подобные системы обеспечивают более свободный оптический доступ к атомам и подходят для работы с частицами, имеющими разные магнитные свойства. В дальнейшем такой подход может расширить набор квантовых экспериментов, доступных на орбитальных станциях.
Одно из возможных применений связано с атомной интерферометрией. В подобных приборах используют волновые свойства атомов, разделяя их квантовые состояния и затем объединяя для измерения мельчайших изменений ускорения или гравитационного поля. Чем дольше атомы сохраняют подходящие условия для свободного движения, тем больше времени накапливается измеряемая разность фаз. При контроле остальных источников погрешности продолжительное наблюдение способно повысить чувствительность приборов.
Авторы рассматривают возможность создания космического атомного интерферометра Маха-Цендера. С его помощью физики рассчитывают проводить более точные проверки принципа эквивалентности, одного из фундаментальных положений общей теории относительности Эйнштейна. Согласно этому принципу, разные тела в одинаковых условиях свободного падения испытывают одинаковое гравитационное ускорение независимо от состава.
Другим направлением станут квантовые симуляторы, в которых поведение специально подготовленных атомов помогает исследовать сложные физические системы. Управляя формой лазерных полей, учёные смогут изучать разрушение квантовой упорядоченности, взаимодействие частиц в одномерных средах и поведение вещества при наличии беспорядка. Возможность менять объём ловушки также позволит экспериментировать с более крупными атомными облаками.
Космические исследования сверххолодного вещества ведутся уже несколько лет. Американская лаборатория Cold Atom Laboratory работает на МКС с 2018 года, а в 2026 году получила новое оборудование для управления атомными облаками. Подобные технологии рассматривают как основу будущих высокоточных часов, гравитационных датчиков и навигационных систем, способных работать без спутниковых сигналов.
Пока китайский эксперимент остаётся достижением фундаментальной физики, а не демонстрацией готового измерительного прибора. Исследователи подтвердили возможность получать чрезвычайно холодный конденсат с помощью оптической ловушки на орбите и наблюдать его расширение в течение семи секунд. Следующая задача заключается в использовании подобных условий для экспериментов, в которых высокая чувствительность позволит проверять физические теории и исследовать квантовые явления, недоступные существующим установкам.