为了逼近低温极限，人类都做了哪些努力？

每到夏天，深处在炎热环境的人们总是会想尽各种办法来降温。作为普通人的我们，会借助风扇、空调、冷饮等工具给自己带来夏日里的凉爽。

对于人类来说，26摄氏度已经是很舒适的温度，但是对于科学家们而言不是这样，科学家们一直在努力探讨如何逼近低温极限。那么，人类所能创造的最低温度有多低，又该怎样实现呢？

热传导制冷

提到降温，我们能想到最直接的办法或许就是搞个冰块。没错，这也是我们生活中最常用的办法，比如，一杯冰美式，再比如，冰敷。

图源网络

那么用冰块为什么能降温呢？这就涉及到我们中学学过的热传导的概念。

热的传递方式有三种：热传导，热对流和热辐射。

热传递的三种方式 | 图源网络

热传导是说温度不同的两个物体接触之后，热量会从高温物体流向低温物体，主要来源于固体中分子原子的振动，比如我们用冰块降温，用暖宝宝取暖。

热对流是气体或液体中热量传递的主要方式，分为自然对流和强制对流两种。自发进行的对流过程为自然对流，比如冷热水的混合；强制对流是由外界作用的对流方式，比如我们用吹风机。

热辐射是热量以电磁波的方式传递，比如晒太阳，太阳的能量就是以热辐射的方式传递给我们的。

那么问题来了，大热天的，哪里来的冰块呢？

最简单的办法，就是放在冰箱里冻。我们生活中常用的制冷设备，冰箱和空调，它们的制冷原理是类似的，都是热力学循环过程。

热力学循环制冷

热力学中对循环过程的定义为“一个系统从某一平衡状态出发，经过任意的一系列过程又回到原来的平衡态的整个变化过程，叫作循环过程”。

在 p-V 图上，沿顺时针方向进行的循环过程为正循环，热机进行的是正循环过程，即工作物质从高温热源吸收热量，增加的内能一部分对外做功，一部分通过低温热源转移到外界。

沿逆时针方向进行的过程称为逆循环，制冷机进行的是逆循环过程，即外界对系统做功，使工作物质从低温热源吸收热量，从而使低温热源的温度降得更低，实现制冷的目的。

有了这些基础认识，我们再来看冰箱的工作原理：

冰箱工作原理示意图。| 图源：参考文献[1]

工作物质（一般是高温高压气体）经压缩机压缩后，在冷凝器处放热，变为高压液体，高压液体经过节流膨胀阀压强减小，变为低压液体，进入蒸发器，从冷冻室吸收热量使冷冻室温度降低，自己则升温变成气体进入到下一个循环，从而实现冷冻室的制冷效果。

空调的制冷原理也是类似。不同之处在于空调机里面有一个电磁换向阀，可以改变工作物质的流动方向，从而可以实现夏天制冷，冬天制热。

空调机原理示意图。| 图源：参考文献[1]

但是这些制冷手段都只能满足我们的实际生活需求，实验室里要求的温度要比这些温度低得多，实验室追求的极限温度是绝对零度，虽然热力学第三定律告诉我们，绝对零度是不可能实现的，但是科学家们也在一步步地向它靠近。

蒸发制冷

实验室里最常见的制冷方式是液氮和液氦制冷。

在中学物理中，我们就学过相图，在相图中，我们可以看出，在高压低温状态下，气体可以被压缩为液体。因此液氦和液氮可以提供低温环境。

相图 | 图源网络

1900 年，国际温标规定热力学温标为基本温标，热力学温度用 T 表示，单位是开尔文，符号为 K，摄氏温度用符号 t 表示，单位是摄氏度，用符号 ℃ 表示，摄氏温度和热力学温度的关系为：

t=T-273.15

氮气最早在 1883 年由波兰物理学家 Zygmunt Wróblewski 和 Karol Olszewski 液化。氦气在 1908 年由荷兰物理学家 Onnes 液化，氦气也是最后一种被液化的气体，液氦的出现为超导的发现准备了条件。

液氮的沸点约为 -196℃，也就是 77K，液氦的沸点为 4.2K。

由于液氮和液氦的温度很低，在室温下极易挥发，所以在存储时要尽可能地减少它们与空气的热量交换，这就需要用特殊的容器来保存。

实验室储存液氮和液氦的容器为杜瓦，这是在 1892 年由 Dewar 发明的一种容器，具有很好的隔热效果。杜瓦瓶的两层器壁之间有一个真空夹层，真空夹层的存在减少了分子热运动，从而可以有效避免热量散失。

氦被液化后，利用氦的蒸发来制冷是实现低温的主要手段。

氦元素有 ³He 和 ⁴He 两种同位素，地球上存在的氦主要成分是 ⁴He，大气中的 ³He 含量仅是 ⁴He 含量的百万分之一。

根据饱和蒸气压与温度的关系，可以实现蒸发制冷。⁴He 的蒸发制冷可以获得 1K 的低温，但是由于 ⁴He 在极低温下存在超流现象，即在极低温下，⁴He 会形成一层液膜沿着容器壁向上爬，这样就会产生蒸发和漏热，限制了 ⁴He 蒸发制冷所能达到的最低温度。

但是 ³He 不存在这一问题，另外相同的饱和蒸气压下，³He 的温度要比 ⁴He 的温度低，因此利用³He的蒸发制冷可以获得更低的温度。最低温度可以达到 200-300mK.

习惯上，人们把低于 1K 或低于 300mK 的环境称为极低温。换句话说，极低温环境是无法简单利用蒸发氦 4 制冷所能达到的环境，因此要想获得极低温的实验条件，还需要其他的低温技术和手段。

稀释制冷

想要获得 mK 量级的温度怎么办呢？在 1965-1966 年间，发展出了一种 ³He 稀释制冷的技术，这是一种制冷能力强，持续工作时间长的制冷技术。稀释制冷的概念在 1951 年提出，1965 年实现，20 世纪 70 年代之后才有成熟商业化的稀释制冷机出现。

³He-⁴He 溶液相图。| 图源：参考文献[3]

稀释制冷的原理是什么呢？说来也简单。

实验发现，³He-⁴He 在极低温下有相分离现象，这一点从 ³He-⁴He 的溶液相图中也可以看出。在相分离区，溶液分为浓 ³He 相，和稀 ³He 相，由于 ³He 原子较轻，因此浓 ³He 相分布在上方，两相之间存在清晰的界面。但是从相图中也可以看出，即便是在绝对零度下，稀相中也还存在着一定数量的 ³He，这也是稀释制冷的关键。

对稀释制冷原理的理解，可以类比蒸发制冷。

在稀相中，超流 ⁴He 是完全有序的，³He 在里面的运动是完全无阻的，因此对于 ³He 原子来说，⁴He 溶液可以看作是一种**“真空”状态**，那么 ³He 从浓相向稀相的渗透就可以看作是 ³He 液体的“蒸发”，“蒸发”过程吸热，所以可以使 ³He 浓相的温度降得更低。

利用 ³He 稀释制冷的方法，可以把温度降到几个 mK，极大地提升了获取低温的能力。

可是，要想把温度进一步降低，降低到 1mK 以下该怎么办呢？

核绝热去磁制冷

1934 年 Gorter，1935 年 Kurti 分别独立提出了基于核自旋的绝热去磁制冷方法。

核绝热去磁制冷利用了磁矩体系的熵可以同时由温度和外磁场调控这一特点。它的原理说来也很简单。

核绝热去磁制冷原理示意图。| 图源：参考文献[2]

在初始状态下，当外界磁场为零时，制冷剂的磁矩排列是无序的，保持温度不变增加磁场，可以使磁矩的排列趋于一致，（这是一个简单的相变过程，可以类比低温下水结成冰，由无序到有序这一过程），这是一个熵减小的过程，体系的温度降低。

接下来在绝热条件下降低磁场，制冷剂从周围环境吸收热量再次变得无序，从而是环境温度进一步降低，从而达到核绝热去磁制冷的目的。利用这一手段，可以把温度降低到几十 μK 的量级。

氦气的液化可以把温度从室温的 300K 降低到 4.2K；

利用⁴He的蒸发制冷，可以获得 1K 的低温；

利用³He的蒸发制冷，可以获得 300mK 的低温；

利用³He稀释制冷机，可以实现 2mK 的低温；

利用核绝热去磁制冷可以把宏观物体的温度降低到 10μK 量级；

从室温到核绝热去磁制冷，温度实现 7 个数量级的飞跃，到达了人类的宏观制冷极限。

低温物理的每一次飞跃，都推动着基础学科的发展和人类社会的进步。在向更低温迈进的过程中，我们早已突破了大自然设定的边界。

参考文献

[1] 黄淑清，《热学教程》（第二版），高等教育出版社

[2] 林熙， 《核绝热去磁制冷》，物理，52卷（2023年）8期

[3] 阎守胜，《稀释制冷——一种获得极低温度的新方法》，物理，1975,4（2）

策划制作

来源丨中科院物理所（ID：cas-iop）

作者丨阿白

责编丨何通

审校丨徐来 林林