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在增進我們對物理世界的整體理解方面，超冷量子氣體非常有前景。正如著名物理學家理查德·費曼所論證的那樣，為了充分理解自然，我們需要量子模擬和計算手段。在過去的30年中，超冷原子系統已被證明是非常出色的量子模擬器。這些系統作為模擬器的應用數量簡直是壓倒性的，從工程化人工晶體到為量子計算提供新平臺，無所不包。在其短暫的歷史中，超冷原子實驗研究增強了物理學家對各種重要現象的理解。
量子力學的啟示之一是，當使用適當的實驗測試時，任何物體都可以被視為波（甚至是你！）。這些所謂的物質波的性質取決於它們的溫度；在高溫下，它們具有較短的波長，看起來和行為都像粒子，因為所有的波峰和波谷都非常接近，以至於無法區分。如果我們將溫度降低到遠低於絕對溫標單位開爾文，物質的波動性就會變得更加明顯，波動行為也變得更加重要。那麼，一大群表現得像一大群波的極冷原子會發生什麼呢？它們可以全部對齊和重疊，形成一個單一的波，這在歷史上被稱為宏觀波函式。這樣一個系統——物理學中稱為凝聚態——是一種基本的量子物質狀態。
量子凝聚態在20世紀20年代中期被理論預測，但直到20世紀90年代後期，實驗物理學家才掀起了一場革命（並因此獲得了兩項諾貝爾獎），他們使用雷射和磁鐵達到了足夠低的溫度，使物質能夠轉變為這些相態。光可以與原子相互作用，從而改變它們的能量。當原子置於不均勻磁場中時，也會受到力的作用。物理學家利用這兩種特性來捕獲諸如銣之類的原子雲，並最終將其溫度降低到皮開爾文——絕對零度以上萬億分之一度。值得注意的是，可以達到這些極低溫度並工程化量子物質狀態的實驗，可以在一個普通大小的房間裡進行，在一張大桌子上，超冷原子氣體通常肉眼可見。宇宙中最冷的地方通常可以在您當地大學校園的房間裡找到，並且它們很可能由一名研究生控制。
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但讓物理學家興奮的不僅僅是製造出最冷或最量子的東西；而是超冷原子可以被非常精確地控制和操縱。理論物理學家尤其受到透過移動超冷原子並微調它們相互作用的方式來工程化量子系統的可能性的鼓舞。對於理論家來說，具有某些奇怪或意外特性的新型材料等物理系統是一個令人沮喪的黑匣子，很難用數學方程式來描述。
超冷原子實驗可能恰恰相反，它將方程式變為現實，並確定它們是否符合自然規律。許多最小的原型模型，在數學方程式層面進行了廣泛研究，但不一定與任何自然發現的材料相匹配，可以在超冷原子實驗中進行工程化。自20世紀90年代後期以來，各種物理學家都接受了這個想法，並儘可能地將其推向各個方向。
舉一個例子，向超冷原子樣品新增反向傳播的雷射束會建立一個光學晶格，並將系統變成人工晶體。物理晶體必須小心生長，而超冷人工晶體可以透過調整雷射束從一種形狀變為另一種形狀。更具優勢的是，這種人工晶體通常非常乾淨，研究人員可以透過使用更多雷射來新增無序性。這意味著他們可以“逆向工程”某些無序效應。如果晶體生長出來然後進行研究，可能很難確定樣品中的“汙垢”實際上對實驗結果有多大影響。如果研究人員可以控制無序性，那麼他們就可以非常精確地確定其後果。
從最早的超冷原子實驗開始，它們對於研究具有零粘度的流體或超流體就非常重要。普通流體何時變成超流體？類似於聲音的東西能否在超流體中傳播？如果旋轉超流體的容器會發生什麼？許多這樣的基本問題都已透過超冷原子模擬得到解答。
例如，旋轉超流體已被預測會產生渦旋——量子流體的小型颶風——這是宏觀波函式基本性質的結果。研究人員正在透過觀察和操縱這些渦旋來了解量子湍流，將它們視為更混亂的超流體流的可控構建塊。湍流量子流的精確模型在歷史上一直讓理論家們難以捉摸，這使得超冷原子模擬成為解決這個難題的第一道防線。
與超流體研究一樣，人們也做了許多努力來模擬超導體。它們是完美的導體，沒有電阻；當電流流過它們時，不會浪費能量。這與用於向企業和家庭供電的所有導體形成對比，因此嘗試模擬一種不必非常冷的超導體是一個非常活躍的研究領域。雖然物理學家對“非常冷”的概念可能與口語用法不太一致（物理學行話中的“冷原子”比冰箱裡的一品脫冷冰淇淋要冷得多），但即使是幾開爾文的差異也可能對超導體在實驗室外的應用具有意義。
理論物理學家多年來一直在爭論各種高溫超導模型，而超冷原子研究一直是檢驗這些有時相互衝突的理論的主要方法之一。實驗物理學家還可以使超冷原子的超流體在稱為BEC-BCS跨越的過程中變得有點像超導體。這種跨越已經在半導體和中子星中被理論化，但除了由極冷原子組成的系統外，從未在任何其他系統中得到明確證實。
超導體和超流體都是基本的量子物質相，構成了您在學校可能學到的液態-固態-氣態相列表的量子擴充套件。超冷原子實驗繼續模擬更多新穎的量子物質相。2019年一個引人注目的例子是量子超固體的模擬。超固體，就像超流體一樣，在構成它的原子之間沒有任何摩擦力的情況下流動，但同時也具有周期性的晶體狀結構，就像固體一樣。這是一種看似矛盾的物質狀態，其存在性被爭論了近50年，之後超冷原子實驗才提供了明確的肯定結論。
許多所謂的拓撲物質相也已在超冷系統中實現。其中一些實驗模擬並推廣了量子霍爾效應，量子霍爾效應最初是在使用半導體的更傳統實驗中觀察到的。由於許多拓撲物質狀態的性質不受無序性的影響，因此它們是量子計算非常有希望的設定。透過這種方式，在高度可調的超冷原子系統中實現拓撲模型意味著物理學家不僅能夠模擬一種新的物質相，而且可以立即投入使用，從而更接近製造量子計算機。
即使超冷原子系統尚未變成量子計算機器，它們也常常可以在使研究人員瞭解有關基礎物理學的新知識方面“擊敗”經典超級計算機。一個例子是多體物理學。在量子力學中，一個具有多個相互作用粒子的系統幾乎總是一個難以精確計算並因此預測任何東西的系統。然而，真實的材料由數百萬個原子組成！
超冷原子系統對於研究高度相互作用的多體系統非常寶貴，揭示了諸如系統無法達到熱平衡並且永遠不會失去其初始狀態“記憶”之類的現象。物理學家經常求助於計算方法和超級計算機來研究這些系統，但是使用超冷原子進行模擬可能是解決其中一些問題的更直接方法。無法達到平衡在統計物理學中非常重要，而超冷原子實驗的出現鞏固了它作為當代物理學研究中一個非常活躍的領域。
就我個人而言，儘管我接受過更廣泛的凝聚態物理學科的培訓，但我作為研究生期間的六年時間裡，還是反覆回到超冷原子領域。我主要研究由超冷原子製成的超流體氣泡（空心殼）。這使我接觸到美國宇航局科學家的工作，他們將超冷原子實驗發射到太空，以探索它將如何受到極低重力的影響。這項實驗正在國際空間站上進行，像我這樣對實驗結果做出預測的理論家們正在焦急地等待新的結果。
在某種程度上，研究空心超冷殼促使我思考太空是很合適的，因為這項研究的部分動機來自中子星。物理學家並不真正知道如果你能觀察中子星的內部會發現什麼，但是許多理論表明它看起來像一個洋蔥，有超導體和超流體的層。那麼，在實驗室研究超流體殼可能會更好地理解一些位於遙遠恆星中的層，科學家可能永遠無法直接研究這些層。此外，來自中子星的無線電訊號的測量表明，其中的超流體渦旋可能會影響它們的旋轉。
超冷原子實驗非常擅長精確研究這些渦旋。我花了幾年時間研究關於空心超冷原子殼中的渦旋如果整個東西開始旋轉會發生什麼情況的數學論證。我用關於在他們的實驗室中工程化這樣一個系統的問題困擾了相當多的實驗同事，而事實上，這甚至是我們能夠談論的事情，某種程度上模擬中子星的量子內部結構，對我來說仍然有點像科幻小說。
當我瞭解到一維超冷原子鏈中的準週期性時，我最新的超冷痴迷開始了。行話背後的難題很簡單：物理學家很清楚原子結構在自然界中如何以規則週期重複的行為，但是如果這個週期是一個無理數，會發生什麼呢？這樣的系統被稱為準週期系統，研究它們導致認知科學家道格拉斯·霍夫施塔特在1976年發現了一個著名的分形圖，後來被稱為他的蝴蝶。霍夫施塔特的圖是自相似的：如果你放大或縮小任何量，它看起來仍然一樣。
這個性質意味著具有分數維的物理狀態可能存在於自然界中，這一啟示引發了尋找更多可能發生這種情況的物理系統的搜尋。幾年前，另一位研究生向我提到，他們在他們的超冷原子研究實驗室中模擬了一個準週期系統，而且，我也一直在追逐霍夫施塔特蝴蝶。為什麼自然界如此在意有理數和無理數之間的差異，以至於允許分數維不僅僅是一個數學上的怪癖？超冷原子研究很可能有助於物理學家回答這個問題，我希望能夠聽到有關它們的答案。
我作為研究人員的經驗僅包括現代物理學中超冷原子實驗有意義的眾多主題中的一小部分。可能性確實數不勝數。量子模擬革命遠未結束！研究人員繼續突破現有技術的極限，以冷卻由更多元素組成的氣體並執行更多操作。
下一步是什麼？量子化學，分子在超冷溫度下形成。超冷量子系統非常龐大，儘管量子力學總是被認為只描述最小的物體，但它們不能被稱為微觀系統。可以使用超冷系統在臺式實驗中而不是大型加速器（如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機）中測量基本常數。超冷實驗，其中可以戳、撥弄、移動和成像單個原子。以及任何其他可以讓我們瞭解我們（量子）世界基本原理的東西。