为了逼近低温极限，人类都做了哪些努力？
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因为又降温了，所以我们来讲讲低温制冷，
因为小编在实验室经常要做
低温实验
，低温下材料会表现出一些新奇的物性，比如超导。因此我们今天来讲讲
低温技术
。
话不多说，切入正题。
01
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。
02
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
，叫做
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，即外界对系统作功，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。
03
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，这样机会产生 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。
04
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
溶液可以看做是一种
“真空”状态
，那么
³He
从浓相向稀相的渗透就可以看做是
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？
05
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 μ K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 10 μ K 量级；
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）
编辑：小聪
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