由加州理工学院主导的合作研究团队报告了其利用国际空间站（ISS）上的多用户冷原子实验室（CAL）仪器的升级硬件，首次在太空中同时制造双原子种类玻色-爱因斯坦凝聚（BEC，由87Rb 和41K 形成），并首次在太空中实现了同时对两种原子进行原子干涉测量的演示。这一成果是在太空中对自由落体的普适性（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体物理学、量子化学和基础物理学的各个方面。该研究于11月15日发表于《自然》杂志。
NASA冷原子实验室的在轨硬件升级。 © Nature
我们周围的物理世界由原子和分子根据一套既定的规则构建。然而，根据原子和分子所处的环境，不同的规则将会起主导作用或从属作用。研究团队使用国际空间站中的美国国家航空航天局（NASA）冷原子实验室（CAL），正在探索微重力下原子的量子特性支配其行为的场景。这种情况下，两原子或三原子分子中的原子间距可以越来越远，但仍保持联系。要研究这些状态，首先需要减慢原子的热振动速度。为此，研究人员需要将原子冷却到比绝对零度仅高亿分之几度的温度，比自然宇宙中发现的任何温度都要低得多。在微重力下，脆弱的分子可以存在更长的时间，并且有可能变得更大。这些类型的分子很可能不会在自然界中出现，但它们可被用来制造灵敏的探测器，例如，它们可以揭示磁场强度的细微变化，或者任何其他导致它们破裂或坍缩的干扰。
该研究合作者之一的N. Gaaloul说：“现在，我们有了全新的方法来测试例如爱因斯坦的等效原理，这是基础物理学中最基本的假设之一。”这个著名的原理认为，引力对所有物体的影响是一样的，不管它们的质量如何。
科学家们已经在地球上使用原子干涉仪进行了实验，来观察等效原理在原子尺度上是否成立。在空间站的微重力环境下，研究团队使用了含有两种原子（87Rb与41K）的量子气体以及一台干涉仪，他们能够更精确地检验等效原理。通过这样的检验，他们可能会观察到是否存在引力不平等对待所有物质的现象，这将表明广义相对论是否包含一个（尽管很小的）错误。
这项研究标志着将量子技术带入太空的又一进步，对开发新的基于空间量子技术非常重要。科学家们还提出了使用原子干涉仪和量子气体来高精度地测量重力以便观察地球上的质量变化。由此所发展的技术将促进精密传感器的发展，并用于如地球物理学、气候研究以及空间惯性导航等应用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06645-w
报道链接：
https://phys.org/news/2023-11-scientists-stage-quantum-chemistry-space.html