在刚出的《科学美国人》杂志上，有一篇关于超冷原子的长篇科普文章，颇有参考价值。现将该文内容简要介绍一下。
超冷原子是将原子保持在一个极低温的状态（接近绝对零度，0K）。在这样的低温状态下，原子的量子力学性质变得十分重要。当原子被降到足够低的温度时，他们将会处于一种新的量子物态。对于玻色型原子气会产生玻色-爱因斯坦凝聚；对于费米型原子气，则形成简并费米气。由于原子间存在相互作用，实际上绝大多数原子在低温下的基态是形成固体，因此这类原子气实际上处于亚稳态。
但是当原子气足够稀薄，碰撞概率足够小，这种亚稳态可以比较长时间的存在。无论是费米子还是玻色子，如果原子间相互为吸引作用，上述原子气所描述的状态将会失稳而塌缩。对于费米型气体，某种原子间的吸引作用可能形成类似超导当中的库伯（Cooper）对，而形成新的基态。
实验上，冷原子被用于研究玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）、超流、量子磁性、多体系统、BCS机制、BCS-BEC连续过渡等，对理解量子相变有重要意义。冷原子也被用于研究人工合成规范场，使得人们可以在实验室中模拟规范场，从而在凝聚态体系中辅助验证粒子物理的理论（而不需要巨大的加速器）。冷原子可以被精确的操控，可以用于研究量子信息学，冷原子系统是实现量子计算的众多方案中非常有前景的之一。
超冷原子由于其独特的量子性质和在此类系统中可用的强大实验控制而具有多种应用。例如，已经提出了将超冷原子用作量子计算和量子模拟的平台，伴随着非常积极的实验研究以实现这些目标。
在凝聚态物理的背景下，量子模拟引起了极大的兴趣，它可以为相互作用的量子系统的性质提供有价值的见解。超冷原子用于实现目标凝聚物系统的类似物，然后可以使用特定实现中可用的工具进行探索。由于这些工具可能与实际的冷凝物系统中可用的工具有很大的不同，因此人们可以在实验上探测否则无法获得的数量。此外，超冷原子甚至可以创建奇特的物质状态，否则自然界将无法观察到。
超冷原子还用于实验中，可通过低热噪声以及在某些情况下通过利用量子力学来超过标准量子极限来进行精确测量。除了潜在的技术应用之外，这种精确的测量还可以作为对我们目前对物理学认识的检验。
当要进一步了解物理世界时，超冷量子研究前景广阔。著名物理学家费曼说，要充分理解自然，我们需要模拟和计算的量子手段。在过去的30年中，超冷原子系统被证明是惊人的量子模拟器。这些应用数量之多，从工程人造晶体到为量子计算提供新平台，应有尽有。在其短暂的历史中，超冷原子实验研究增强了物理学家对真正大量重要现象的理解。
量子力学的启示之一是，使用适当的实验测试，任何物体都可看作是波（甚至是你！）。这些所谓的“物质波”的性质取决于它们的温度。在高温下，它们的波长短，外观和行为类似颗粒，因为所有的峰和谷非常靠近，以至于无法分辨。如果温度足够低，物质的波动性质将变得更加明显、更加重要。那么，大量的非常冷的原子像大量的波动一样会发生什么呢？它们都可以对齐并重叠以形成单个波，这在历史上被称为“宏观波函数”。这样的系统，从物理学的角度讲是一种凝结物，是物质的基本量子态。
通过超冷原子的模拟可以回答了许多物理基本问题。例如，由于宏观波函数的基本特性，已预测旋转超流体会引起涡旋的出现（量子流体的小飓风）。研究人员正在通过观察和操纵这些涡流来学习量子湍流，并将它们视为更多混乱的超流体流的可控构建基块。
与对超流体的研究一样，已经做了很多努力来模拟超导体。它们是没有阻力的完美导体。当电流流过它们时，不会浪费任何能量。实验物理学家可以在称为“BEC-BCS交叉”的过程中使超冷原子的超流体变成某种超导体。
从本质上讲，超导体和超流体都是物质的量子相，就像液体-固体-蒸气相的量子膨胀一样。超冷原子实验继续模拟甚至更新颖的物质量子相。年的一个引人注目的例子是量子超固体的模拟。超固体像超流体一样流动，组成原子之间没有任何摩擦，但也像固体一样具有周期性的晶体状结构，一种看似矛盾的状态。
在超冷系统中也已经实现了许多所谓的物质拓扑阶段。其中一些实验模拟并推广了量子霍尔效应，这是在更传统的半导体实验中首次观察到的。由于物质的许多拓扑状态具有不受混乱影响的特性，因此它们是量子计算的非常有前途的设置。这样，在非常可调的超冷原子系统中实现拓扑模型意味着物理学家不仅能够模拟物质的新阶段，而且能够立即使用它，从而更接近于制造量子计算机。
即使超冷原子系统尚未转变成量子计算机器，它们仍然可以用来击败传统的超级计算机，使研究人员能够学习有关基础物理学的新知识。一个例子是多体物理学。在量子力学中，具有多个相互作用粒子的系统几乎总是一个很难计算并因此很难精确预测的系统。实际材料包含数百万个原子！
超冷原子系统对于研究高度相互作用的多体系统，发现诸如系统无法达到热平衡且从未失去其初始状态的“记忆”之类的现象具有不可估量的价值。物理学家经常采用计算方法和超级计算机来研究这些系统，但是用超冷原子进行模拟可能是解决他们某些问题的更直接方法。在统计物理学中，未能达到平衡非常令人感兴趣，超冷原子实验的出现使它成为当代物理学研究的一个非常活跃的领域。
美国宇航局最近在太空中发起了一个超冷原子实验，以探索它如何受到极低重力的影响。这项实验仍在进行中，科学家们正焦急地等待着结果。从某种意义上说，在太空中研究中空超冷壳的动机在于中子星的研究。物理学家并不真正知道如果能观察到中子星的内部，将会发现什么。但是理论表明，它看起来像是一层带有超导体和超流体层的洋葱状物体。在实验室中研究超流体壳可能会导致人们更好地了解位于恒星中的这些层中的某些层，这些恒星相距甚远，科学家可能永远无法直接对其进行研究。对来自中子星的无线电信号的测量表明，它们中的超流体涡旋可能会影响其旋转。
超冷原子研究涉及现代物理学中许多领域，潜在的应用意义很广。量子模拟革命还远远没有结束！科学家们还在继续推动现有研究，以冷却由更多元素组成的气体，并执行更多操作。
下一步？量子化学，分子在超冷温度下形成。尽管量子力学总是假设仅描述了最小的物体，但如此之大的超冷量子系统无法称为微观的。超冷系统可用于在桌面实验装置中测量基本常数，而不必如象大型加速器那样。在超冷实验中，单个原子可以被拨、推、移动和成像，无论是什么都可以是我们了解量子世界的基础。
参考：KarmelaPadavic-Callaghan,“TheCoolestPhysicsYouveEverHeardOf：Ultracoldatomscansimulateallsortsofquantumbehavior”.ScientificAmerican.January20,
