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在日常生活中，我们对低温的感受除了天气冷之外，还有比如冰箱冷冻室。当然，网络上的撒冰花（“泼水成冰”）也吸引了很多朋友跃跃欲试。
Ps：我国纬度最高黑龙江冬季月均温度-20℃以下；北极村冬季月均-30.9℃，这个温度下，用90℃的热水泼向空中，热水划成弧线，形成“泼水成冰”效果（请在专业人士指导下进行，以防烫伤）。图片来源于网络
然而，在科学的领域里，我们对低温的需求远不止于此。科学家们探索的低温世界远远超乎我们的想象，超低温技术犹如一把神奇的钥匙，打开了通向一个充满奇异现象和无限可能的低温宇宙大门。
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汞的电阻在4.2 K突降到零。图片来源：陈式刚，等.《高温超导研究》
从超导现象的发现到量子计算机的研究，超低温技术正逐渐改变着我们对物质世界的认知，并为未来科技的突破提供了前所未有的机遇。那么，究竟什么是超低温技术？它又是如何诞生和发展的呢？让我们一起踏上这趟超低温之旅，探寻其中的奥秘。
01.
超低温的发现：从液氮到绝对零度的追逐
超低温世界的探索始于对气体液化的研究。早在 19 世纪，科学家们就开始尝试将各种气体冷却至液态。1883 年，波兰物理学家齐格蒙特・弗罗布莱夫斯基和卡罗尔・奥尔谢夫斯基首次成功液化了氧气，其沸点约为-183℃。随后，氮气也在 1898 年被苏格兰化学家詹姆斯・杜瓦成功液化，液氮的沸点为-196℃，这些突破标志着人类对低温领域认知的重大飞跃。
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常压下各种气体的沸点。图片来源：罗会仟.《超导“小时代”》
但科学家们并未满足于此，他们的目光瞄准了更低的温度——绝对零度。绝对零度是热力学温标中的最低温度，约为-273.15℃。
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不同温标的对比。图片来源：维基百科
在追求绝对零度的道路上，荷兰物理学家海克・卡末林・昂内斯做出了卓越贡献。1908 年，他成功液化了氦气，沸点为4.2 K（-268.9℃）。
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图片来源于网络
这一突破让低温物理学进入到了新篇章。昂内斯在 1911 年首次观察到了超导现象，这一发现震惊了科学界，也让人们意识到超低温世界蕴含着无数奇特的物理性质等待挖掘。液氦在常压下4.2 K（摄氏度 -269℃）沸腾，如果进一步节流制冷，可以达到1.5 K（摄氏度 -271.65℃）左右的低温，此时液氦会展现出“超流”现象：处于超流相的液体由于没有摩擦力，可以永无止尽地流动。此时的液氦，甚至可以从容器中向上“逃逸”，顺着容器的内壁“爬”出来。低温的世界，就是如此有趣！
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处于超流相的液氦，会在杯身内面向上缓慢攀爬，攀越过杯口，然后在杯身外面向下缓慢滑落，集结形成一滴液氦珠，最后滴落在下面的液氦里。这样，液氦会一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空为止。图片来源于网络
此后，科学家们不断改进制冷技术，逐渐逼近绝对零度。通过把He-3和He-4同位素混在一起，改变He-3的浓度，可以做到所谓“稀释制冷”技术，将实现10 mK（1 mK=0.001 K）的低温。实验室创造的低温记录由核绝热去磁技术所实现，这时原子核都要被“冻住”，温度只有0.1 nK (1 nK=0.000000001 K)左右。在不断逼近绝对零度的进程中，人们除了发现超流这类神奇的物理现象外，还发现了许多新物质态。比如玻色-爱因斯坦凝聚态和分数量子霍尔效应等。前者指的是一些原子在极低温下会“集体冻僵”到低能组态，后者指的是电子在极低温强磁场下会“人格分裂”成分数化的量子态。
02.
控温原理：如何稳定 “寒冷的精灵”
要实现并维持超低温并非易事，这需要复杂而精密的控温技术。一种常见的方法是利用物质的相变来吸收热量，从而达到降温的目的。例如，在超导磁体的冷却系统中，液氦的蒸发制冷可以将超导磁体冷却到其超导转变温度以下，使其呈现超导特性。
另一种重要的控温技术是绝热去磁制冷。这种方法基于某些物质在磁场中的磁性变化与温度的关系。当物质被置于强磁场中时，其内部的磁矩会有序排列，系统的熵减小；随后将磁场缓慢减弱，物质的磁矩会逐渐无序化，这个过程中物质会吸收热量，从而实现降温。通过多次重复这个过程，可以达到非常低的温度。
此外，激光冷却技术也是近年来超低温控温领域的重要突破。利用六束激光把原子束缚在“陷阱”里，就像用无数个乒乓球从四面八方去轰击震动的铅球一样，热运动中的原子会逐渐“冷静”下来。这种技术能够将原子冷却到微开尔文甚至纳开尔文的量级，为量子物理等前沿研究提供了前所未有的实验条件。
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激光冷却示意图。图片来源：ccnta.cn/article/11103.html
03.
超低温技术对未来科研进展的重要性：通向未知世界的钥匙
超低温技术在现代科学研究中扮演着举足轻重的角色，犹如一把通向未知世界的钥匙，为众多领域的重大突破提供了关键支撑。
在量子信息科学方面，超低温技术更是不可或缺。 量子比特是量子计算的基本单元，其相干性极易受到环境热噪声的干扰而导致计算错误。在超低温环境下，量子比特的热运动被极大抑制，相干时间得以显著延长，从而为实现可靠的量子计算和量子通信奠定了坚实基础。例如，基于超导约瑟夫森结的量子比特在毫开尔文量级的超低温下能够展现出良好的量子特性，目前全球范围内的量子计算研究机构都在大力投入超低温技术的研发与应用，以推动量子计算机从理论走向实际应用的进程。
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图片来源于网络
在天文学和宇宙学研究中，超低温技术也有着独特的应用价值。通过超低温探测器，科学家们能够更敏锐地捕捉来自宇宙深处的微弱信号，如宇宙微波背景辐射、暗物质粒子与普通物质相互作用产生的信号等。这些观测有助于我们深入了解宇宙的起源、演化以及物质构成等重大科学问题，进一步拓展人类对宇宙的认知边界。
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电影《阿凡达》中的室温超导体 “Unobtanium”。图片来源于网络
在物理学领域，超低温环境是研究超导材料的基础条件。超导材料具有零电阻和完全抗磁性等奇特性质，这使得它们在电力传输、磁共振成像（MRI）、量子计算等诸多领域具有巨大的应用潜力。通过超低温技术，科学家们能够深入探索超导机制，推动超导材料的无损能源传输、可控核聚变发电的实际应用。
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全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)。图片来源：cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml
松山湖材料实验室高温超导材料及应用研究团队，长期致力于实用超导材料的研究，目前已搭建了国际一流的材料低温物性研发平台，助力超导材料以及高温超导磁体在大电流输电以及强磁场（核聚变、超导电缆、感应加热以及单晶硅生长炉等）需求场景的大规模产业化应用。
超低温技术作为一门前沿科学技术，其发展历程充满了挑战与突破，从最初对低温的初步探索到如今对绝对零度的逼近，控温原理也日益多样化和精细化。相信在未来，随着超低温技术的不断进步，它将为人类科技文明带来更多的惊喜与变革。
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SLAB三棱镜科普志愿服务队为公众进行超导科普实验
来源：松山湖材料实验室
编辑：亦山
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