因超冷原子研究而获得诺贝尔物理学奖的麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特勒对此进行了解释。
首先，让我介绍一下温度的科学含义：它是物质能量含量的度量。当空气很热时，分子移动速度很快，并且具有很高的动能。分子越冷，其速度越小，随之而来的能量也越小。温度只是表征系统能量的一种方式。
温度可以用不同的单位来测量。在日常生活中，摄氏度和华氏度标尺很常见，但是它们都缺乏一个自然属性，即温度标尺的零点应该对应于气体粒子的零速度（即零能量）。因此，自然的温度标尺是以开尔文为单位测量的绝对温度。零开尔文是可能的最低温度。在绝对零度时，所有运动都将停止。显然，更低的温度是不可行的，因为没有比零更小的速度，也没有比零更少的能量含量。（作为旁注，此处的能量仅指可以从粒子中带走的能量，不包括静止质量或受限粒子的量子力学零点能量。）绝对零度对应于-273摄氏度和-460华氏度。
冷却物体需要从中提取能量并将其沉积在其他地方。例如，在家用冰箱中，背面的热交换器会变热，因为从内部物体提取的能量会沉积在那里。（此外，仅运行冰箱就会产生一些热量。）
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在1980年代和1990年代，开发了冷却原子气体的新方法：激光冷却和蒸发冷却。通过结合这些方法，已经实现了低于1纳开尔文（开尔文度十亿分之一）的温度。迄今为止记录的最低温度是在我们小组于2003年9月12日发行的《科学》杂志上发表的，为450皮开尔文，比之前的纪录保持者低了六倍。最近的两个诺贝尔奖（分别于1997年和2001年）因这些发展而颁发。
在激光冷却中，原子会散射激光。入射的激光光子被吸收，然后在不同的方向上重新发射。平均而言，散射光子的颜色相对于激光略微向蓝色偏移。也就是说，散射的光子比吸收的光子具有更高的能量。由于总能量是守恒的，因此光子能量的差是从原子运动中提取的——原子减速。波长的偏移可能是由于多普勒效应（与原子速度成正比的偏移）或由于斯塔克偏移（由于激光束的电场）而发生的，这解释了原子如何失去能量。
第二种描述强调动量如何传递给原子。如果原子暴露在几个具有精心选择的偏振和频率值的激光束下，那么它们会优先吸收来自前向半球的光子，其中光子角动量和原子速度之间的角度大于90度。光子动量具有与原子运动相反的分量，因此，吸收的光子的动量踢会使原子减速。随后光子的发射以随机角度发生，结果，经过几次吸收-发射循环的平均，由于光子的发射而没有动量传递。关键步骤是使原子优先吸收来自前向的光子，这是通过利用多普勒频移来实现的。当光子动量和原子速度之间的角度大于90度时，原子和光会反向传播，多普勒频移是频率的向上移动。当激光调谐到原子共振的红色时，多普勒频移使光更接近共振并增强光吸收。对于来自后向的光，其光子动量和原子速度之间的角度小于90度，多普勒频移相反，并且使光线进一步远离原子共振，从而降低了其吸收。
当原子云变得更密集和更冷时，上述冷却效果会被其他导致加热的过程所主导。这包括原子之间碰撞中的能量释放，以及光散射中的随机反冲踢，这些反冲踢平均为零，但仍然会导致原子的一些颤动运动，因此限制了可实现的最低温度。但是，此时原子足够冷，可以被磁场约束。我们选择具有不成对电子的原子种类，因此它们具有磁矩。结果，这些原子的行为类似于小磁棒。外部磁场会对它们施加力，使其漂浮对抗重力并保持在一起；原子被困在由磁场形成的具有无形墙的磁笼中。
通过从系统中选择性地去除能量最高的原子来进行进一步的冷却，即蒸发冷却。当能量最高的分子以蒸汽形式逸出时，相同的过程会冷却一杯咖啡，从而降低了剩余分子的平均能量，进而降低了温度。在磁阱中，能量最高的原子可以进一步抵抗磁力的拉力移动，因此可以到达具有比冷原子更高的磁场的区域。在那些高磁场下，它们会与无线电波或微波产生共振，从而以使原子飞走并逃离陷阱的方式改变磁矩。可以在以下网址找到冷却过程的精美动画：http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/temperature.html
我们如何测量原子的极低温度？一种方法是简单地查看云的扩展范围。云越大，原子的能量就越高，因为它们可以进一步抵抗磁力而移动。这类似于地球上的大气层，它大约有10公里厚。也就是说，在室温下，原子可以抵抗我们星球的引力而移动10公里。如果空气的温度小10倍（约为30 K或-240摄氏度），则大气层将只有一公里厚。在30微开尔文下，大气层将缩小到仅仅一毫米，而在30纳开尔文下，大气层的高度将是一微米，或者比人发的厚度小一百倍。（当然，空气不是理想气体，到那时就会液化。）在我们的实验中，原子会同时受到磁力和重力的影响。在云的中心，引力正好被磁力补偿。
原子云的大小是通过用激光照射云来确定的，激光会被原子强烈吸收，并且会投下阴影。借助几个透镜，阴影会成像到类似于数码相机中的电子传感器上。由于磁场是精确已知的，因此云的大小是原子能量和温度的绝对度量。（更科学地说，原子的密度分布反映了势能的分布。）
确定温度的另一种方法是测量原子的动能。为此，通过关闭流过磁体线圈的电流来突然关闭磁阱。在没有磁力的情况下，原子只会飞走，并且云会以弹道方式膨胀。云的大小随时间增加，并且这种增加是对原子速度以及因此其温度的直接观察。（更技术地说，膨胀云的吸收图像显示了云中动能的分布。）对于固定的弹道膨胀时间，阴影的大小是温度的量度（温度与大小的平方成正比）。通过收缩的阴影来监控越来越低的温度的实现。当1995年发现玻色-爱因斯坦凝聚态时，其标志是收缩的阴影突然显示出能量极低的原子稠密核心，即玻色-爱因斯坦凝聚态（参见图像）。