超低温技術

1933年，美國物理學家焦克首先用順磁鹽絕熱，獲得0.25K的低温。1950年德克勒用銘釩和鋁釩的混合晶體絕熱去磁方法，獲得1.4×10^-3K的低温，1956年牛津大學的庫爾蒂和P.E，西蒙等人使銅原子的温度下降到2×10^-5K。1979年，芬蘭赫爾辛基技術大學低温試驗採用兩級串聯的核磁矩絕熱去磁方法，使銅核自旋系統達到0.5×10^-7K，以後又達到了3.3×10^-8K。1989年，芬蘭人哈科寧和中國人殷實共同創造2×10^-9K最新低温記錄，它距絕對零度只差5億分之一。1898年H.卡末林.昂內斯以液態空氣預冷氫，利用焦耳-湯姆孫效應使氫氣液化（氫的沸點為33.3K），獲得接近於絕對零度低温的技術。C.von林德最先利用節流膨脹的焦耳-湯姆孫效應，製成空氣液化機（空氣中氮的沸點為126.2K，氧的沸點為154.8K），並於1895年創辦了大型液化空氣工廠，1908年昂內斯用液氫作預冷使最難液化的氦液化（氦的臨界温度為5.3K）。1934年P.卡皮察製成了不需液氫只用液氮預冷的氦液化機。液氦在1個大氣壓下的沸點為4.2K，用減壓蒸發法可得0.5K以下的低温。 ^[1] 

超低温技術在許多領域的應用到今天已經有了較大進展，主要應用於能源（超導輸電、超導儲能、超導電機等），交通（磁懸浮列車、船舶磁推進器），醫療衞生（核磁共振成像、生物磁儀器等），電子技術（超導微波技術應用、各類超導傳感技術、半導體—超導體集成電路、超導計算元件等），重大科學工程（加速器、受控熱核裝置等）和國防技術（超導反潛、掃雷、飛船載入、電磁推進、通訊及制導等）等領域。 ^[1] 

利用3He蒸發的低温恆温器是獲得1K以下温度的最簡便的方法。3He的質量小，零點運動強烈，因此在所有的温度下它的蒸氣壓比4He都要高。此外，因不存在3He膜，也就沒有沿着3He膜的傳熱或3He蒸發而產生的額外漏熱。所以在低温端可以利用一粗管道對3He液浴減壓，獲得比利用4He液浴減壓所能達到的更低的温度。3He的正常沸點是3.19K，通過減壓可達稍低於0.3K的温度。 ^[2] 

順磁鹽絕熱去磁又稱磁冷卻。順磁鹽中含有鐵或稀土族元素，其3d或4f殼層沒有填滿因而具有磁矩。當温度高於順磁鹽的磁有序特徵温度θ 時(見順磁性)，各個離子間因相互作用較小，比較自由，順磁鹽可看作是一個混亂取向的偶極子體系。當達到温度θ時，發生偶極子的自發取向，系統的熵S減小。當T>θ時，如果施加一外磁場B=Bi，從體系的温－熵圖（圖1）可看出，外磁場引起的偶極子擇優取向，使體系的熵減少。因此， 如果在減壓4He或3He液浴中將順磁鹽預冷到某一温度Ti，然後在與液氦浴保持熱接觸的條件下施加外磁場進行等温磁化，體系在這過程中釋放出來的磁化熱為液氦浴所吸收，熵下降。再使鹽與周圍環境絕熱，並將磁場降至B=Bi或零。這樣就可以獲得顯著的降温效果，得到T=Ti或T=T0的温度。絕熱去磁所能達到的最終温度取決於外磁場強度和順磁鹽的磁有序化特徵温度。W.F.吉奧克於1933年完成了順磁鹽絕熱去磁實驗，獲得了千分之幾開的低温。 ^[2] 

1956年H.倫敦最先提出稀釋致冷機的原理，1965年第一台稀釋致冷機誕生，它是利用3He-4He混合液的性質設計的致冷機。3He和4He的混合液在0.87K以上温度時是完全互溶的溶液，在0.87K以下時發生相分離，即分成含3He較多的濃相和含3He較少的稀相兩部分，兩者間構成一界面，濃相浮於稀相之上。當3He原子從濃相通過界面進入稀相時，類似於普通液體通過液麪蒸發成氣體，要吸熱致冷。進入稀相的3He原子通過循環系統重新回到濃相。稀釋致冷機結構簡單可靠，致冷能力強，可長時間連續工作，可得穩定的可調節的超低温，這是傳統的順磁鹽絕熱去磁法所無法比擬的，現已獲廣泛應用。用此法得到的最低温度為1.5mK。 ^[2] 

温度在0.32K以下時，液態3He的熵比固態3He的熵要小，因而加壓發生液－固相變時要吸熱，從而達到致冷效果。此法由I.Y.坡密朗丘克於1950年提出，1965年實驗成功。此法常在稀釋致冷機的基礎上使用，可達到的極限低温為1mK。1972年在此低温附近發現了3He的超流新相（見液態氦）。 ^[2] 

原子核的自旋磁矩比電子自旋磁矩要小得多，故原子核磁矩間的相互作用也比電子磁矩間的相互作用弱得多。直到mK温度範圍，核磁矩仍然是混亂取向，因而可用核絕熱去磁法使核系統降温。通常以稀釋致冷機預冷，用超導磁體產生強磁場，使核自旋磁化，再絕熱去磁。此法由C.J.戈特和N.庫爾蒂分別於1934年和1935年提出，1956年庫爾蒂成功地使金屬銅的核自旋温度冷卻到16μK。後來用二級核絕熱去磁使核自旋温度達到50nK（5×10-8K）的極低温，第一次觀察到銅中核磁矩的自發反鐵磁排列。物質內部的熱運動包括核自旋運動、晶格振動和自由電子運動，3種運動對內能都有貢獻，在較高温度時3種運動間的能量交換迅速，可處於熱平衡狀態，可用同一温度來描述。在極低温度下，三者間的能量交換較慢，不能很快建立熱平衡，故應區分與不同運動相聯繫的温度。與核自旋運動相聯繫的温度稱為核自旋温度。核絕熱去磁只能降低核自旋温度。儘管核自旋温度已降到50nK量級，但晶格温度可能仍為mK量級。 ^[2]