在日常生活中，我們對低溫的感受除了天氣冷之外，還有比如冰箱冷凍室。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)上的撒冰花（“潑水成冰”）也吸引了很多朋友躍躍欲試。
Ps：我國緯度最高黑龍江冬季月均溫度-20℃以下；北極村冬季月均-30.9℃，這個溫度下，用90℃的熱水潑向空中，熱水劃成弧線，形成“潑水成冰”效果（請在專業(yè)人士指導(dǎo)下進行，以防燙傷）。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
然而，在科學(xué)的領(lǐng)域里，我們對低溫的需求遠不止于此。科學(xué)家們探索的低溫世界遠遠超乎我們的想象，超低溫技術(shù)猶如一把神奇的鑰匙，打開了通向一個充滿奇異現(xiàn)象和無限可能的低溫宇宙大門。
汞的電阻在4.2 K突降到零。圖片來源：陳式剛，等.《高溫超導(dǎo)研究》
從超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到量子計算機的研究，超低溫技術(shù)正逐漸改變著我們對物質(zhì)世界的認(rèn)知，并為未來科技的突破提供了前所未有的機遇。那么，究竟什么是超低溫技術(shù)？它又是如何誕生和發(fā)展的呢？讓我們一起踏上這趟超低溫之旅，探尋其中的奧秘。
01.
超低溫的發(fā)現(xiàn)：從液氮到絕對零度的追逐
超低溫世界的探索始于對氣體液化的研究。早在 19 世紀(jì)，科學(xué)家們就開始嘗試將各種氣體冷卻至液態(tài)。1883 年，波蘭物理學(xué)家齊格蒙特?弗羅布萊夫斯基和卡羅爾?奧爾謝夫斯基首次成功液化了氧氣，其沸點約為-183℃。隨后，氮氣也在 1898 年被蘇格蘭化學(xué)家詹姆斯?杜瓦成功液化，液氮的沸點為-196℃，這些突破標(biāo)志著人類對低溫領(lǐng)域認(rèn)知的重大飛躍。
常壓下各種氣體的沸點。圖片來源：羅會仟.《超導(dǎo)“小時代”》
但科學(xué)家們并未滿足于此，他們的目光瞄準(zhǔn)了更低的溫度——絕對零度。絕對零度是熱力學(xué)溫標(biāo)中的最低溫度，約為-273.15℃。
不同溫標(biāo)的對比。圖片來源：維基百科
在追求絕對零度的道路上，荷蘭物理學(xué)家?？?卡末林?昂內(nèi)斯做出了卓越貢獻。1908 年，他成功液化了氦氣，沸點為4.2 K（-268.9℃）。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
這一突破讓低溫物理學(xué)進入到了新篇章。昂內(nèi)斯在 1911 年首次觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)震驚了科學(xué)界，也讓人們意識到超低溫世界蘊含著無數(shù)奇特的物理性質(zhì)等待挖掘。液氦在常壓下4.2 K（攝氏度 -269℃）沸騰，如果進一步節(jié)流制冷，可以達到1.5 K（攝氏度 -271.65℃）左右的低溫，此時液氦會展現(xiàn)出“超流”現(xiàn)象：處于超流相的液體由于沒有摩擦力，可以永無止盡地流動。此時的液氦，甚至可以從容器中向上“逃逸”，順著容器的內(nèi)壁“爬”出來。低溫的世界，就是如此有趣！
處于超流相的液氦，會在杯身內(nèi)面向上緩慢攀爬，攀越過杯口，然后在杯身外面向下緩慢滑落，集結(jié)形成一滴液氦珠，最后滴落在下面的液氦里。這樣，液氦會一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空為止。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
此后，科學(xué)家們不斷改進制冷技術(shù)，逐漸逼近絕對零度。通過把He-3和He-4同位素混在一起，改變He-3的濃度，可以做到所謂“稀釋制冷”技術(shù)，將實現(xiàn)10 mK（1 mK=0.001 K）的低溫。實驗室創(chuàng)造的低溫記錄由核絕熱去磁技術(shù)所實現(xiàn)，這時原子核都要被“凍住”，溫度只有0.1 nK (1 nK=0.000000001 K)左右。在不斷逼近絕對零度的進程中，人們除了發(fā)現(xiàn)超流這類神奇的物理現(xiàn)象外，還發(fā)現(xiàn)了許多新物質(zhì)態(tài)。比如玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等。前者指的是一些原子在極低溫下會“集體凍僵”到低能組態(tài)，后者指的是電子在極低溫強磁場下會“人格分裂”成分?jǐn)?shù)化的量子態(tài)。
02.
控溫原理：如何穩(wěn)定 “寒冷的精靈”
要實現(xiàn)并維持超低溫并非易事，這需要復(fù)雜而精密的控溫技術(shù)。一種常見的方法是利用物質(zhì)的相變來吸收熱量，從而達到降溫的目的。例如，在超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng)中，液氦的蒸發(fā)制冷可以將超導(dǎo)磁體冷卻到其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，使其呈現(xiàn)超導(dǎo)特性。
另一種重要的控溫技術(shù)是絕熱去磁制冷。這種方法基于某些物質(zhì)在磁場中的磁性變化與溫度的關(guān)系。當(dāng)物質(zhì)被置于強磁場中時，其內(nèi)部的磁矩會有序排列，系統(tǒng)的熵減??；隨后將磁場緩慢減弱，物質(zhì)的磁矩會逐漸無序化，這個過程中物質(zhì)會吸收熱量，從而實現(xiàn)降溫。通過多次重復(fù)這個過程，可以達到非常低的溫度。
此外，激光冷卻技術(shù)也是近年來超低溫控溫領(lǐng)域的重要突破。利用六束激光把原子束縛在“陷阱”里，就像用無數(shù)個乒乓球從四面八方去轟擊震動的鉛球一樣，熱運動中的原子會逐漸“冷靜”下來。這種技術(shù)能夠?qū)⒃永鋮s到微開爾文甚至納開爾文的量級，為量子物理等前沿研究提供了前所未有的實驗條件。
激光冷卻示意圖。圖片來源：ccnta.cn/article/11103.html
03.
超低溫技術(shù)對未來科研進展的重要性：通向未知世界的鑰匙
超低溫技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究中扮演著舉足輕重的角色，猶如一把通向未知世界的鑰匙，為眾多領(lǐng)域的重大突破提供了關(guān)鍵支撐。
在量子信息科學(xué)方面，超低溫技術(shù)更是不可或缺。 量子比特是量子計算的基本單元，其相干性極易受到環(huán)境熱噪聲的干擾而導(dǎo)致計算錯誤。在超低溫環(huán)境下，量子比特的熱運動被極大抑制，相干時間得以顯著延長，從而為實現(xiàn)可靠的量子計算和量子通信奠定了堅實基礎(chǔ)。例如，基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的量子比特在毫開爾文量級的超低溫下能夠展現(xiàn)出良好的量子特性，目前全球范圍內(nèi)的量子計算研究機構(gòu)都在大力投入超低溫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，以推動量子計算機從理論走向?qū)嶋H應(yīng)用的進程。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
在天文學(xué)和宇宙學(xué)研究中，超低溫技術(shù)也有著獨特的應(yīng)用價值。通過超低溫探測器，科學(xué)家們能夠更敏銳地捕捉來自宇宙深處的微弱信號，如宇宙微波背景輻射、暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信號等。這些觀測有助于我們深入了解宇宙的起源、演化以及物質(zhì)構(gòu)成等重大科學(xué)問題，進一步拓展人類對宇宙的認(rèn)知邊界。
電影《阿凡達》中的室溫超導(dǎo)體 “Unobtanium”。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
在物理學(xué)領(lǐng)域，超低溫環(huán)境是研究超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)條件。超導(dǎo)材料具有零電阻和完全抗磁性等奇特性質(zhì)，這使得它們在電力傳輸、磁共振成像（MRI）、量子計算等諸多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。通過超低溫技術(shù)，科學(xué)家們能夠深入探索超導(dǎo)機制，推動超導(dǎo)材料的無損能源傳輸、可控核聚變發(fā)電的實際應(yīng)用。
全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)。圖片來源：cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml
松山湖材料實驗室高溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用研究團隊，長期致力于實用超導(dǎo)材料的研究，目前已搭建了國際一流的材料低溫物性研發(fā)平臺，助力超導(dǎo)材料以及高溫超導(dǎo)磁體在大電流輸電以及強磁場（核聚變、超導(dǎo)電纜、感應(yīng)加熱以及單晶硅生長爐等）需求場景的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
超低溫技術(shù)作為一門前沿科學(xué)技術(shù)，其發(fā)展歷程充滿了挑戰(zhàn)與突破，從最初對低溫的初步探索到如今對絕對零度的逼近，控溫原理也日益多樣化和精細化。相信在未來，隨著超低溫技術(shù)的不斷進步，它將為人類科技文明帶來更多的驚喜與變革。
SLAB三棱鏡科普志愿服務(wù)隊為公眾進行超導(dǎo)科普實驗
來源：松山湖材料實驗室
編輯：亦山
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