因超冷原子研究而獲得諾貝爾物理學獎的麻省理工學院的沃爾夫岡·凱特勒對此進行了解釋。
首先，讓我介紹一下溫度的科學含義：它是物質能量含量的度量。當空氣很熱時，分子移動速度很快，並且具有很高的動能。分子越冷，其速度越小，隨之而來的能量也越小。溫度只是表徵系統能量的一種方式。
溫度可以用不同的單位來測量。在日常生活中，攝氏度和華氏度標尺很常見，但是它們都缺乏一個自然屬性，即溫度標尺的零點應該對應於氣體粒子的零速度（即零能量）。因此，自然的溫度標尺是以開爾文為單位測量的絕對溫度。零開爾文是可能的最低溫度。在絕對零度時，所有運動都將停止。顯然，更低的溫度是不可行的，因為沒有比零更小的速度，也沒有比零更少的能量含量。（作為旁註，此處的能量僅指可以從粒子中帶走的能量，不包括靜止質量或受限粒子的量子力學零點能量。）絕對零度對應於-273攝氏度和-460華氏度。
冷卻物體需要從中提取能量並將其沉積在其他地方。例如，在家用冰箱中，背面的熱交換器會變熱，因為從內部物體提取的能量會沉積在那裡。（此外，僅執行冰箱就會產生一些熱量。）
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在1980年代和1990年代，開發了冷卻原子氣體的新方法：雷射冷卻和蒸發冷卻。透過結合這些方法，已經實現了低於1納開爾文（開爾文度十億分之一）的溫度。迄今為止記錄的最低溫度是在我們小組於2003年9月12日發行的《科學》雜誌上發表的，為450皮開爾文，比之前的紀錄保持者低了六倍。最近的兩個諾貝爾獎（分別於1997年和2001年）因這些發展而頒發。
在雷射冷卻中，原子會散射雷射。入射的雷射光子被吸收，然後在不同的方向上重新發射。平均而言，散射光子的顏色相對於雷射略微向藍色偏移。也就是說，散射的光子比吸收的光子具有更高的能量。由於總能量是守恆的，因此光子能量的差是從原子運動中提取的——原子減速。波長的偏移可能是由於多普勒效應（與原子速度成正比的偏移）或由於斯塔克偏移（由於雷射束的電場）而發生的，這解釋了原子如何失去能量。
第二種描述強調動量如何傳遞給原子。如果原子暴露在幾個具有精心選擇的偏振和頻率值的雷射束下，那麼它們會優先吸收來自前向半球的光子，其中光子角動量和原子速度之間的角度大於90度。光子動量具有與原子運動相反的分量，因此，吸收的光子的動量踢會使原子減速。隨後光子的發射以隨機角度發生，結果，經過幾次吸收-發射迴圈的平均，由於光子的發射而沒有動量傳遞。關鍵步驟是使原子優先吸收來自前向的光子，這是透過利用多普勒頻移來實現的。當光子動量和原子速度之間的角度大於90度時，原子和光會反向傳播，多普勒頻移是頻率的向上移動。當雷射調諧到原子共振的紅色時，多普勒頻移使光更接近共振並增強光吸收。對於來自後向的光，其光子動量和原子速度之間的角度小於90度，多普勒頻移相反，並且使光線進一步遠離原子共振，從而降低了其吸收。
當原子云變得更密集和更冷時，上述冷卻效果會被其他導致加熱的過程所主導。這包括原子之間碰撞中的能量釋放，以及光散射中的隨機反衝踢，這些反衝踢平均為零，但仍然會導致原子的一些顫動運動，因此限制了可實現的最低溫度。但是，此時原子足夠冷，可以被磁場約束。我們選擇具有不成對電子的原子種類，因此它們具有磁矩。結果，這些原子的行為類似於小磁棒。外部磁場會對它們施加力，使其漂浮對抗重力並保持在一起；原子被困在由磁場形成的具有無形牆的磁籠中。
透過從系統中選擇性地去除能量最高的原子來進行進一步的冷卻，即蒸發冷卻。當能量最高的分子以蒸汽形式逸出時，相同的過程會冷卻一杯咖啡，從而降低了剩餘分子的平均能量，進而降低了溫度。在磁阱中，能量最高的原子可以進一步抵抗磁力的拉力移動，因此可以到達具有比冷原子更高的磁場的區域。在那些高磁場下，它們會與無線電波或微波產生共振，從而以使原子飛走並逃離陷阱的方式改變磁矩。可以在以下網址找到冷卻過程的精美動畫：http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/temperature.html
我們如何測量原子的極低溫度？一種方法是簡單地檢視雲的擴充套件範圍。雲越大，原子的能量就越高，因為它們可以進一步抵抗磁力而移動。這類似於地球上的大氣層，它大約有10公里厚。也就是說，在室溫下，原子可以抵抗我們星球的引力而移動10公里。如果空氣的溫度小10倍（約為30 K或-240攝氏度），則大氣層將只有一公里厚。在30微開爾文下，大氣層將縮小到僅僅一毫米，而在30納開爾文下，大氣層的高度將是一微米，或者比人發的厚度小一百倍。（當然，空氣不是理想氣體，到那時就會液化。）在我們的實驗中，原子會同時受到磁力和重力的影響。在雲的中心，引力正好被磁力補償。
原子雲的大小是透過用雷射照射雲來確定的，雷射會被原子強烈吸收，並且會投下陰影。藉助幾個透鏡，陰影會成像到類似於數碼相機中的電子感測器上。由於磁場是精確已知的，因此雲的大小是原子能量和溫度的絕對度量。（更科學地說，原子的密度分佈反映了勢能的分佈。）
確定溫度的另一種方法是測量原子的動能。為此，透過關閉流過磁體線圈的電流來突然關閉磁阱。在沒有磁力的情況下，原子只會飛走，並且雲會以彈道方式膨脹。雲的大小隨時間增加，並且這種增加是對原子速度以及因此其溫度的直接觀察。（更技術地說，膨脹雲的吸收影像顯示了雲中動能的分佈。）對於固定的彈道膨脹時間，陰影的大小是溫度的量度（溫度與大小的平方成正比）。透過收縮的陰影來監控越來越低的溫度的實現。當1995年發現玻色-愛因斯坦凝聚態時，其標誌是收縮的陰影突然顯示出能量極低的原子稠密核心，即玻色-愛因斯坦凝聚態（參見影像）。