1.超低温技术是科学界探索低温世界的关键，从超导现象的发现到量子计算机的研究，逐渐改变着我们对物质世界的认知。
2.荷兰物理学家海克・卡末林・昂内斯在1908年成功液化了氦气，沸点为4.2 K(-268.9℃)，开启了低温物理学的新篇章。
3.为了实现并维持超低温，科学家们需要复杂而精密的控温技术，如相变制冷、绝热去磁制冷和激光冷却等。
4.超低温技术在现代科学研究中扮演着举足轻重的角色，为众多领域的重大突破提供了关键支撑，如量子信息科学、天文学和宇宙学等。
5.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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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。
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》
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。
常压下各种气体的沸点。图片来源：罗会仟.《超导“小时代”》
不同温标的对比。图片来源：维基百科
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！
02.
控温原理：如何稳定 “寒冷的精灵”
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
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。
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。
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。
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