5月16日，由北京大学图书馆和物理学院联合主办的“学科之美系列讲座——物理之美”第六场讲座在图书馆南配楼艺术鉴赏厅举行。物理学院助理教授、博雅青年学者宋博作题为“物质可以有多冷？走进超冷原子的奇妙世界”的讲座。全校40余位师生参加现场讲座，讲座由物理学院博士研究生李晓主持。

讲座现场

宋博以日常生活中对“冷”的感知为引，介绍了物理学中更为精确的温标——开尔文（K）。当前科学家在实验室中能达到的最低温度已逼近绝对零度（0K），达到了约几十pK（pK=10⁻¹² K）的水平，远低于宇宙背景辐射的温度。讲座的核心内容围绕如何将物质冷却到如此低的温度展开。宋博详细阐释了激光冷却的基本原理，包括利用光的粒子性（光子）与原子碰撞实现减速，以及巧妙运用多普勒效应和红失谐激光实现对原子运动的持续“刹车”。实验物理学家朱棣文、科恩-塔诺季、菲利普斯因此获得1997年诺贝尔物理学奖。在此基础上，通过蒸发冷却，即逐步降低囚禁势阱的深度，让能量较高的“热”原子逃逸，从而使余下原子达到更低温度，最终可以实现玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate, BEC）。BEC是当玻色子原子被冷却到极低温度时，其德布罗意波长远大于原子间距，大量原子占据同一量子基态而形成的宏观量子现象。康奈尔、维曼和克特勒因实验上首次实现BEC而荣获2001年诺贝尔物理学奖。宋博介绍了通过飞行时间法（Time-of-Flight）精确测量原子团温度，并展示了课题组镱原子BEC在动量空间中清晰的凝聚峰图像。

宋博作讲座

讲座的后半部分聚焦于超冷原子的操控技术及其前沿应用。宋博重点介绍了光晶格和光镊两项核心技术。光晶格通过激光干涉形成周期性势阱，囚禁其中的原子可以用于模拟固体材料中电子；而光镊则像“光的手指”一样，可以精确囚禁和操控单个原子，构建任意形状的原子阵列。宋博的课题组致力于发展光晶格与光镊混合系统，旨在结合两者的优势，实现大规模、高保真度、单点可控的量子体系。

在应用层面，宋博介绍了量子模拟。他引用费曼的观点，强调了用量子系统模拟量子现象的重要性。超冷原子系统因其高度可控性，成为模拟复杂量子多体系统的理想平台，有助于解决经典计算机难以处理的计算难题和优化问题。在量子计算方面，利用光镊囚禁的原子，特别是激发到相互作用强烈的里德堡态的原子，可以通过里德堡阻塞效应构建高保真度的量子逻辑门，为实现可扩展的量子计算机提供了有前景的途径。宋博还举例说明了超冷原子在精密测量领域的巨大潜力。基于原子跃迁的原子钟，特别是利用锶、镱等具有超窄线宽跃迁的原子光钟，其频率精度已达到10⁻¹⁹量级，意味着在整个宇宙年龄的时间里误差不超过1秒。如此高精度的时钟不仅推动了基础物理量的精确测定，还在基础物理定律验证、引力波探测、暗物质搜寻等前沿科学研究中发挥关键作用。

学生提问

讲座结束后，宋博与在场师生进行了互动交流，耐心解答了听众的疑问。

主讲嘉宾简介：

宋博，北京大学物理学院助理教授、研究员、博雅青年学者。2019年博士毕业于香港科技大学，之后在剑桥大学从事博士后研究，2023年入职北京大学。长期从事超冷原子实验研究，聚焦拓扑和多体物理，相关成果发表在《自然》《自然·物理》等期刊。承担国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金项目等。课题组的超冷镱原子光晶格-光镊混合实验平台，将从微观层面开展拓扑物理与无序多体物理的量子模拟研究，并探索超冷原子在量子计算与精密测量方面的应用。

文字：亓秋月|摄影：桑磊