近日，一組國際研究團隊在《自然》雜志上發表了一篇論文，報道了他們在國際空間站（ISS）上首次成功實現了量子氣體混合物和雙原子干涉測量。這項研究為探索微重力下量子物理的奧秘邁出了重要一步，并將推動空間量子技術的發展。

原子干涉儀是一種利用原子波的干涉現象進行精密測量的儀器。通過測量原子干涉條紋的位移或形狀，可以獲得有關原子相互作用、引力等物理量的信息。

傳統的原子干涉儀通常使用單一種類的原子。然而，當使用兩種或多種原子時，原子干涉儀可以提供更加豐富的信息。例如，雙原子干涉儀可以用來研究不同原子種類之間的相互作用，以及它們在混合物中的行為。

背景

量子物理是研究物質和能量在原子和亞原子尺度上的行為的物理學分支。它與經典物理學有著根本性的不同，在量子世界中，物質和能量可以同時表現出波和粒子的特性。

近年來，量子物理的研究取得了重大進展，科學家們已經能夠在實驗室中操控量子系統，實現各種奇妙的量子現象。然而，在地球上進行量子實驗往往會受到環境噪聲的影響，限制了量子系統的控制精度。

為了克服地球環境的限制，科學家們將目光投向了太空。微重力環境可以有效減少環境噪聲，為開展量子實驗提供了理想的條件。例如，在太空中，原子不受重力的影響，可以長時間保持相干性，從而提高測量精度。

在國際空間站上，美國宇航局（NASA）安裝了冷原子實驗室（CAL）。CAL可以將原子冷卻到極低溫，從而使其進入量子態。當溫度降低到接近絕對零度時，大量原子可以聚集到同一個量子態中，形成一種具有宏觀量子特性的物質形態，即玻色-愛因斯坦凝聚體 (BEC)。

BEC 的出現為探索量子物理的新現象和應用開辟了新的途徑。例如，利用 BEC 的相干性和可控性，可以實現更高靈敏度的慣性導航和更精確的引力測量。此外，BEC 還可用于模擬量子多體系統，研究強關聯量子材料等復雜物理問題。

論文成果

論文報告了在國際空間站 (ISS) 冷原子實驗室 (CAL) 中首次制備出雙原子種類的玻色-愛因斯坦凝聚體 (BEC) 并實現雙原子干涉測量。

研究人員首先將 87Rb 和 41K 原子分別冷卻到 BEC 狀態。然后，他們利用光學梯度阱將兩種原子混合在一起。通過精確控制光學阱的形狀和深度，他們將兩種原子保持在同一個區域內并使其相互作用。

為了實現雙原子干涉測量，研究人員利用了 Ramsey 脈沖序列。他們測量了兩種原子在兩個 π/2 脈沖之間的相位積累，獲得了兩種原子之間的相互作用系數和相對速度，并與理論計算結果進行了比較。

科學意義

首先，這項研究證明了在微重力環境下制備量子氣體混合物和進行雙原子干涉測量是可行的。這為探索微重力下量子物理的奧秘打開了新的窗口。

其次，它為檢驗自由落體的普適性提供了一個新的平臺。自由落體的普適性是愛因斯坦廣義相對論的基本原理之一。在地球上，由于引力不對稱的影響，對自由落體的普適性進行精確檢驗非常困難。而在微重力環境下，引力不對稱的影響可以大大減弱，從而提高檢驗精度。