초저온 원자(Ultracold atom)는 절대 영도에 매우 가깝게 유지되어 있는 원자 기체를 가리키는 물리학 용어이다. 주로 1마이크로켈빈(µK) 이하의 온도를 가질 때를 의미하며, 이러한 극한의 저온에서는 원자의 양자역학적 특성이 지배적으로 나타나 고전 열역학으로는 설명할 수 없는 새로운 물리적 상태에 도달하게 된다.
초저온 원자 상태를 구현하기 위해서는 여러 단계의 실험 기법이 사용된다. 대표적으로 광자기 포획(MOT, Magneto-Optical Trap) 상태의 기체를 레이저 냉각(laser cooling)한 후, 증발 냉각(evaporative cooling)을 추가로 적용하여 수백 나노켈빈(nK) 수준까지 온도를 낮추는 방식이 주축을 이룬다. 이러한 기술의 발전으로 1995년에는 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein Condensation, BEC) 현상이 최초로 관측되었으며, 이 공로로 2001년 노벨 물리학상이 수여되었다.
초저온 원자 상태에서는 보손(boson)의 경우 보스-아인슈타인 응축 현상이, 페르미온(fermion)의 경우 겹친 페르미 기체(degenerate Fermi gas)가 관측된다. 이 외에도 초유체(superfluidity) 현상, 양자 자성(quantum magnetism), 다체 스핀 역학(many-body spin dynamics), 에피모프 상태(Efimov state), BEC-BCS 전이 등 다양한 양자 현상을 연구할 수 있다.
초저온 원자 연구는 양자 시뮬레이션, 양자 컴퓨팅, 정밀 측정, 기초 물리학 탐구 등 여러 분야에 응용 가능성을 제공하며, 국제우주정거장(ISS)에 설치된 Cold Atom Laboratory(CAL)와 같은 플랫폼을 통해 미세중력 환경에서의 연구도 활발히 진행되고 있다.
