19 世紀(jì) 50 年代，萊頓大學(xué)（Leiden University）的物理學(xué)教授?？?卡末林?昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次將氦氣液化，通過汞等元素發(fā)現(xiàn)物理超導(dǎo)性，借此成為 “超導(dǎo)第一人”。從此，人類正式踏入低溫物理學(xué)的世界。

經(jīng)過兩個(gè)世紀(jì)研究，如今低溫物理學(xué)應(yīng)用于包括材料科學(xué)、量子計(jì)算、天氣探測、基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域的科研中。不過，對于追求極致的極低溫（mK）的絕對零度來說，科學(xué)家們從未停止過探索。

絕對零度并非我們?nèi)粘ＫJ(rèn)知的 “0 度”，而是指當(dāng)?shù)蜏剡_(dá)到極限，環(huán)境中的分子會(huì)停止一切運(yùn)動(dòng)，并處于完全靜止的狀態(tài)。這時(shí)，就達(dá)到人們所說的絕對零度了。與幾乎無上限的熱量不同，絕對零度的極限溫度數(shù)值是零下 273.15 度，不過這只是科學(xué)家利用儀器計(jì)算出的一個(gè)理論數(shù)字。

由于時(shí)間本質(zhì)是物體運(yùn)動(dòng)的過程，所以當(dāng)溫度達(dá)到極致時(shí)，無論是時(shí)間還是空間都將全部失效。而當(dāng)實(shí)現(xiàn)零下 273.15 度時(shí)，理論上所有物體和固體的熵也會(huì)無限接近為 0。

所以，當(dāng)動(dòng)能為 0 的分子處于完全靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所謂 “絕對零度” 的極低溫。即便如此，目前人類探索過包括宇宙在內(nèi)的任何空間，仍未發(fā)現(xiàn)過有絕對零度的任何痕跡。

（來源：Pixabay）

中國科學(xué)院物理研究所（Institute of Physics CAS）作為中國低溫物理研究領(lǐng)域的發(fā)源地，早在 40 年前就成功研制出了中國首臺(tái)濕式稀釋制冷機(jī)。

7 月 12 日，中國科學(xué)院物理研究所自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機(jī)成功實(shí)現(xiàn) 10mK（高于絕對零度 0.01 度）極低溫運(yùn)行，其性能基本達(dá)到國際主流水平。這是中國該領(lǐng)域中的又一大突破。

中國科學(xué)院物理研究所副研究員姬忠慶在接受媒體采訪時(shí)表示，“有別于傳統(tǒng)的依賴液氦輔助降溫的濕式稀釋制冷機(jī)，無液氦稀釋制冷機(jī)無需液氦供應(yīng)，樣品空間大，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長且運(yùn)維方便，在最近十年迅速普及并成為市場主流?！?/p>

圖｜物理所 10mK 原型機(jī)全貌（來源：中國科學(xué)院物理研究所）

他說：“在歷時(shí)兩年半的研發(fā)過程中，我們攻克了低溫設(shè)備焊接工藝難題，解決了長期困擾的冷漏、超漏問題。在核心的極低溫高效熱交換器制作過程中，測試評估了大量材料和多種設(shè)計(jì)方案，攻克了盤管熱交換器和銀粉熱交換器等多項(xiàng)核心技術(shù)難題。”

簡單來說，無液氦稀釋制冷機(jī)是一種無需液氦輔助，就可提供接近絕對零度的制冷設(shè)備。而更重要的是，自量子物理誕生以來，就預(yù)示著人類已經(jīng)進(jìn)入全新的科研階段。通過研究絕對零度環(huán)境，科學(xué)家能更仔細(xì)地觀察量子效應(yīng)，這對于了解微觀世界有至關(guān)重要的意義。而稀釋制冷機(jī)是為量子計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行提供極低溫環(huán)境不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。

量子計(jì)算是通過利用量子力學(xué)調(diào)控量子信息等進(jìn)行的一種全新計(jì)算模式，由于量子計(jì)算會(huì)用到非常精細(xì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。所以，想要清晰地觀察量子態(tài)的相干演化，溫度環(huán)境要求越低越好。而以目前人類的制冷技術(shù)來看，稀釋制冷是唯一可實(shí)現(xiàn)的途徑。

（來源：Pixabay）

在 6 月 24 日晚，中國科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)力克難關(guān)，終于成功自主完成研發(fā)無液氦稀釋制冷機(jī)原型機(jī)。該原型機(jī)可以在 10.9mK（零下 273.1391 度）—— 8.7mK（零下 273.1413 度）的環(huán)境下穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)滿足超導(dǎo)量子計(jì)算需要的條件。

對此，姬忠慶表示，“日前，我國此類儀器完全依賴進(jìn)口，是亟待攻破的關(guān)鍵核心技術(shù)。因此，研制國產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)迫在眉睫?，F(xiàn)在新研制的無液氦稀釋制冷機(jī)原型機(jī)在解決量子計(jì)算'卡脖子’問題，加快科技自立自強(qiáng)上邁出了關(guān)鍵的一步，掌握稀釋制冷核心技術(shù)標(biāo)志著我國具備了為量子計(jì)算等前沿研究提供極低溫條件保障的能力?！?/p>

除了解決科研問題外，中國能自主生產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)，也將創(chuàng)造巨大的出口經(jīng)濟(jì)效益。姬忠慶說：“未來，物理所研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化無液氦稀釋制冷機(jī)相關(guān)技術(shù)，固化工藝流程，正在建設(shè)中的新一代制冷機(jī)將在易用性和穩(wěn)定性方面達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平，為我國的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)前沿研究提供有力支撐?！?/p>

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