超冷原子是将原子置于一个极低温环境（接近绝对零度，0K）下的原子状态。在这样的低温状态下，原子的量子力学性质发生改变。

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），一般来说其典型温度在百纳开左右。在这样的低温状态下，原子的量子力学性质变得十分重要。要到达如此低的温度，则需要好几种技术的配合使用。首先将原子囚禁于磁光阱中，并用激光冷却预冷。再利用蒸发制冷，以达到更低的温度。

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。对于萨特延德拉·玻色型原子气会产生玻色-阿尔伯特·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（除了He3和He4，由于较大的零点能，常压下始终为液体），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，冷原子被用于研究萨特延德拉·玻色阿尔伯特·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。

2002年，中国科学院院士王育竹领导的研究小组，在原子云中成功观测到了萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚（BEC）现象。

2016年9月，中国科学技术大学和北京大学相关研究人员组成的联合团队在超冷原子量子模拟领域取得重大突破。中国科大-北大联合团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成，测定了由自旋轨道耦合导致的新奇拓扑量子物性。这一关键突破将对新奇拓扑量子物态的研究，进而推动人们对物质世界的深入理解带来重大影响。该合作成果以研究长文（ResearchArticle）的形式发表在最新一期的国际权威学术期刊《科学》上（DOI:10.1126/science.aah7087）。

2021年4月，德国科学家在一枚探测火箭上首次成功实现了太空原子干涉测量。鉴于原子干涉仪可以利用原子的波动特性开展极精确测量，如测量地球的引力场或探测引力波等，新研究有望更精确探测引力波。

2023年9月6日，中国科学技术大学的潘建伟院士、苑震生教授等与清华大学马雄峰副教授、复旦大学周游副研究员合作，使用光晶格中束缚的超冷原子，通过多项创新技术制备出多原子纠缠态，向制备和测控大规模中性原子纠缠态迈出重要一步，为研制新型高性能量子计算机奠定了基础。