冷原子物理研究冷原子的产生、冷原子的物理特性及冷原子的应用。具体包括:利用激光与原子的相互作用实现原子的激光冷却与磁光囚禁,利用蒸发冷却、协同冷却等新冷却机制实现超冷原子,利用远失谐光偶极阱、光晶格等新囚禁方法囚禁超冷原子;用Feshbach 共振方法调节原子之间的相互作用,从而产生超冷分子、三体Efimov 态等少体束缚态,揭示少体相互作用的普适性物理规律;产生多体关联和多体纠缠,为量子信息和量子计算中的应用奠定基础;利用光晶格制备低维超冷原子体系,模拟凝聚体物理、天体物理等体系中的量子磁性、自旋波等新奇量子现象;观察超冷原子的热力学和动力学行为,揭示多体物理问题中的奇异量子相和相变临界行为;产生超冷极性分子和具有磁偶极矩的原子体系,研究长程相互作用;冷原子还被应用于原子频标、原子光学与原子干涉等多个与精密测量相关的研究领域。

总的来说,冷原子物理领域近10年的重要及热点研究问题如下。

（1）冷原子光频标

寻找合适的冷原子（含离子）体系和跃迁谱线,隔离或评估各种环境对钟跃迁谱线的影响,发展超稳激光方法与技术,实现稳定度和频率不确定度优于E-18的光钟,研究光钟比对和时频传递,研究基于光钟的新的秒定义,将高精度的光钟用于物理常数随时间变化的测量和物理定律检验,空间冷原子钟和空间光钟等。

（2）冷原子物质波干涉

研究冷原子物质波特性,发展原子光学和原子干涉仪技术,利用原子干涉实现原子重力仪、重力梯度仪、原子陀螺仪等惯性传感器件,研究高精度长基线原子干涉方法与技术,并将其应用于地球转动监测、引力波和暗物质探测等。

（3）基于原子的精密测量物理

以原子为探针和平台开展精密测量物理研究,精密测量基本物理常数,在更高精度下检验物理定律的适用范围。开展量子电动力学（QED）检验、微观粒子等效原理实验检验、原子的固有电偶极矩（EDM）测量、局域洛伦兹不变性检验等。

（4）单原子量子信息处理

研究可扩展可独立寻址和读出的单原子阵列,研究单原子量子比特的相干性保持,阵列中原子的纠缠控制,高保真度量子逻辑门操作,量子算法,原子芯片,杂化体系等。

（5）光晶格原子量子模拟

利用光晶格技术制备低维超冷原子体系,观察具有自旋的中性原子在低维体系中传输的宏观量子效应,研究量子磁性、自旋波和密度波等多体量子态,模拟凝聚体物理、天体物理等体系中的科学问题。

（6）冷原子量子态调控

（ⅰ）少体相互作用的普适性质：利用磁场Feshbach技术制备超冷分子,利用光场和射频场制备基态超冷分子,发展超冷分子内态和外态的操控技术,研究基态分子形成的微观机理,揭示超冷分子之间的碰撞化学反应。利用磁场Feshbach技术产生三体Efimov态,获得不同原子体系形成Efimov态的标度规律,研究质量、维度等物理参数对Efimov态的影响,揭示少体相互作用的普适性物理规律。（ⅱ）拓扑量子态：利用光晶格和自旋-轨道耦合技术在超冷原子体系中产生人造规范势,动态操控和探测多体关联和多体纠缠,观察Majorana费米子等具有拓扑性质的新奇量子态。（ⅲ）非平衡动力学行为：利用超冷原子的高度可操控性研究体系的热力学和动力学行为,观察奇异量子相和相变临界行为,理解多体物理问题中非平衡动力学行为的物理机理。（iv）长程相互作用：产生超冷极性分子和具有磁偶极矩的原子体系,研究体系中的长程关联效应,揭示长程相互作用产生的新物态和多体纠缠。

从近几年冷原子物理领域SCI论文统计数据来看（见表1）,我国无论是在发表文章的数量上还是在文章被引用次数上都处于世界前列。2009–2011年,中国在该领域的论文数量达到850篇,位列世界第2,是美国同期论文规模的61.3%,到2012–2014年,在保持排名稳定（仅次于美国）的情况下,中国发表论文规模稳步提升,占同期美国的比例上升到71.4%。同时表征学术影响力的被引频次也有显著提升,从2009–2011年到2012–2014年中国占美国的被引频次份额从20.4%上升到31.5%。

中国的冷原子物理起步于20世纪80年代对原子分子光物理领域中原子与光相互作用的研究,依次在原子频标、量子信息、量子计量、量子技术等研究过程中得到快速发展。在冷原子频标（原子喷泉、积分球囚禁原子钟、光晶格原子光钟、囚禁离子光钟）方面满足国家重大需求,个别离子光频标处于国际同种领先水平;目前,中国首次也是唯一将冷原子钟送入太空的国家;在冷原子物质波干涉研究方面积累了原子干涉量子器件关键技术,在高精度原子干涉仪用于等效原理检验方面处于国际领先水平;在单原子量子操控研究方面,突破了单原子量子比特相干时间的瓶颈,为基于中性原子的量子信息处理带来曙光。近年来,中国在超冷原子物理研究方面发展迅速,实验和理论研究相结合产生了一批创新性研究成果,自旋-轨道耦合、超冷费米气体非平衡动力学行为的量子特性、超冷玻色气体的宏观量子行为、一维超冷原子理论等方向的研究水平处在世界前列。

中国的冷原子物理领域研究水平整体处于国际先进国家行列,部分成果处于国际领先水平。表现在以下几个方面。

（1）钙离子光频标频率稳定度和不确定度双双进入E-17,为钙离子光钟领先水平。中国科学院武汉物理与数学研究所成功研制出两台钙离子光频标,并完成两台钙离子光频标的频率比对。

（2）率先将空间冷原子钟送入太空。2016年9月17日,由中国科学院上海光学精密机械研究所研制的空间冷原子钟随天宫二号成功发射并进入在轨运行。这是国际上首台也是目前唯一的一台在轨运行并能够开展科学实验的空间冷原子钟,也是目前在空间运行的最高精度原子钟。

（3）基于高精度冷原子物质波干涉的“原子比萨斜塔实验”,微观粒子等效原理实验精度达到3E-8,为目前国际最好水平。中国科学院武汉物理与数学研究所提出并实现了一种新的四频双衍射拉曼（4WDR）冷原子干涉方案,实现了微观粒子等效原理迄今为止最精确的实验检验。

（4）构造新型微型魔幻光阱,将单原子量子比特相干时间提高百倍以上。中国科学院武汉物理与数学研究所实现了一种新型的魔幻光强偶极阱,将囚禁在该微型光阱中的单个中性原子量子比特的相干时间从毫秒量级提高至百毫秒量级;另外他们通过激光操控一个铷 ̶ 87原子和一个铷 ̶ 85原子,在微米尺度的光阱中实现了两个异核原子的受控冷碰撞。

（5）超冷原子的自旋-轨道耦合研究处在世界领先水平。中国科学技术大学和北京大学合作,首次在超冷玻色气体中实现两维自旋-轨道耦合,并研究了体系的能带拓扑特性;山西大学、清华大学和中国人民大学合作利用自旋-轨道耦合效应相干产生了超冷分子;山西大学、清华大学和香港中文大学合作,首次在超冷费米气体中实现一维和两维自旋-轨道耦合。

（6）揭示了超冷费米气体非平衡动力学行为的量子特性。华东师范大学、清华大学和中国人民大学合作,研究了超冷费米气体的Efimovian膨胀行为,揭示了强相互作用费米气体标度不变的特性。

（7）研究了超冷玻色气体的宏观量子行为。中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院物理研究所和北京大学合作,研究了玻色-爱因斯坦凝聚体的物质波自成像效应,观察到物质波超辐射的非对称性行为。

（8）一维超冷原子理论研究处在国际前列。中国科学院武汉物理与数学研究所利用Bethe Ansatz可积模型系统、深入研究了一维超冷费米气体的多体相互作用行为。

未来冷原子物理研究将沿着极低温、易调控、超精密、强关联的方向发展。超冷原子体系由于其宏观量子特性和高度可调控性为人们提供了一种全新的量子体系,其新颖量子态和奇异物性的研究是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域。随着原子操控技术的发展,超冷原子已经成为交叉领域的实验平台,用来研究原子物理、量子信息、凝聚体物理、天体物理等体系中的新奇量子现象,观察多体系统的拓扑量子态,发展量子比特和量子纠缠的探测和操控技术。

在国际人才引进和本土培养相结合的模式下,中国的超冷原子物理研究聚集了一批年轻的、具有国际竞争力的科研人才,在前期良好的技术和知识积累基础之上,继续加强实验和理论研究相结合的优良传统,后期一定会产生一系列创新性研究成果,在国际超冷原子物理研究领域扮演重要的角色,发展势头迅猛,前景光明。经过近20年的发展,一批知名的高等院校和科研院所加入到超冷原子物理研究领域,已经形成了团队研究的优势。在后期研究工作中,必将在传统的自旋-轨道耦合、非平衡动力学行为和宏观量子特性研究方向获得重要的研究成果,同时国内不同单位正在建立超冷混合气体、超冷极性分子和具有磁偶极矩的超冷原子体系,结合高精度光钟、高精度原位成像等操控技术,必将在长程相互作用等研究方向取得突破性研究成果,观察一些具有拓扑特性的新物态,揭示多体问题中的普适性物理规律,为超冷原子在量子信息、量子模拟和精密测量物理中的应用奠定基础。