近日，《物理评论快报》上刊登了一项新的研究。一组物理学家通过用一种新的“物质波透镜”来减缓玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的膨胀，测量到了前所未有的超低温度——仅比绝对零度高出38 pK（1 pK = 10⁻¹² K）。在超低温下，稀薄的原子气体会以物质波的形式表现出它们完全的量子性质。BEC物质波是一个强大的工具，它可以被用来探索量子理论和广义相对论之间的边界。
当将自由下落的BEC置于干涉仪中时，它所产生的干涉图样将部分取决于由原子质量引起的引力效应，这种特性有助于物理学家对一些基本的物理过程进行检验。然而，进行这些检验的前提是——BEC可以在很长一段时间内自由下落。
这就出现了一个问题：当BEC从产生它的磁阱中被释放出来时，粒子之间的斥性相互作用会迅速转化为动能，从而使得这些原子趋于分散，导致BEC在下落过程中迅速膨胀，变得非常稀疏，因而无法通过标准的吸收成像方法被检测到。只有降低这种能量——换句话说，只有进一步降低BEC的温度，才可能提高物质波干涉的测量精度。为了做到这一点，在过往的一些研究中，物理学家已经利用磁力、静电力等来聚焦BEC。
这些方法被称为物质波透镜，它们的运作方式有点类似于用透镜聚焦光，目的是将BEC原子聚焦在无穷远处，是降低BEC内部动能的一个有效方法。过往的物质波透镜将BEC的温度降低至大约50 pK。然而，这些透镜只能影响BEC在径向上（两个维度）的温度，不能影响BEC在坠落时的轴向温度。因此即便在这些物质波透镜的帮助下，自由落体中的BEC仍会迅速膨胀。
在新研究中，研究人员使用了一种新的物质波透镜系统，它可以在三维空间中的三个维度上，将BEC波聚焦到无穷远。他们首先在一个微芯片上制作出一个圆柱形的磁阱，在这个磁阱中生成了大约10万个铷原子组成的BEC。通过改变用于捕获BEC的磁场，改变其形状，使其发生振荡，BEC会从球形转变为薄椭圆形——它们在轴向上变长，在“腰”的方向上变细。如果继续BEC的这种振荡，BEC能恢复到原来的形状。
但在实际操作中，研究人员会选择在腰变得最细时，释放BEC让其自由下落。这种方法能使它的轴向膨胀率尽可能的低。接着，研究团队会利用一个磁透镜来进一步地控制BEC在径向上的膨胀。通过这种巧妙的结合，新的方法减缓了BEC在三个维度上的膨胀，将BEC冷却到了38 pK的低温。为了测试这项技术，研究人员记录了含有超过10万个原子的BEC物质波在一个110米高的高塔内的自由落体情况。
这个塔内有着非常特殊的微重力环境，其残差加速度只有重力加速度（g≈9.81m/s²）的百万分之几。他们在塔的顶端释放BEC，这些原子随后经历了4.74秒的自由落体。在此期间，研究人员在不同的点拍摄了它们的图像。并根据在不同点上的成像数据，推测出膨胀速度约为60µm/s。研究人员发现，在没有任何透镜作用的情况下，这些BEC会在被释放的160毫秒后，就因变得过于稀疏而“消失”了。
而通过应用新的技术，BEC的膨胀速度会大大减慢，其整个下降过程都是可见的。在这种情况下，研究人员可以对BEC进行超过2秒的成像。这是原子干涉测量的重要一步。与以前的方法相比，新的技术在所有三个维度上都降低了气体的内部动能。在研究过程中，研究人员用这个系统模拟演示了更长的干涉测量时间。模拟结果显示，这种技术或许可以使总成像时间超过17秒。38 pK已经是前所未有的低温了。
但研究人员表示，更复杂的磁透镜设置还有望进一步减少目前设置的一些限制，从而更严格地控制BEC膨胀。同时，降低BEC内的原子数也有可能降低膨胀速率，甚至可以使有效温度降低至14 pK。不过这种方法也会减少总的成像时间，因为BEC越小，就会越迅速地变得太稀而无法成像。这种新的透镜方法为基础物理测试和量子传感技术在设计和控制BEC的形状和膨胀时长上提供了新的可能。
研究人员相信，这样的结果将有益于物理学家在未来进行的高精度的引力波探测、引力常数的测量，超轻型暗物质的找寻，以及爱因斯坦等效原理的严格量子验证。