【導語】我國科研人員在極低溫製冷技術領域取得重大突破，為無液氦極低溫製冷提供了全新方案，該成果被兩院院士評選(xuǎn)為(wèi)2024年(nián)中(zhōng)國(guó)十(shí)大(dà)科(kē)技(jì)進(jìn)展(zhǎn)新(xīn)聞(wén)。中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)院(yuàn)理(lǐ)論(lùn)物(wù)理(lǐ)所(suǒ)與(yǔ)北(běi)京(jīng)航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)大(dà)學(xué)聯(lián)合(hé)團(tuán)隊(duì)的(de)蘇(sū)剛(gāng)研(yán)究(jiū)員(yuán)接(jiē)受(shòu)了(le)采訪(fǎng)，詳(xiáng)細(xì)介(jiè)紹(shào)了(le)當(dāng)前(qián)前(qián)沿(yán)的(de)低(dī)溫(wēn)製(zhì)冷(lěng)技(jì)術(shù)、極(jí)低(dī)溫(wēn)環(huán)境(jìng)下(xià)的(de)重(zhòng)大(dà)科學發現、磁製冷的原理以及新型量子物態——自旋超固態的研究進展。此外，蘇研究員還探討了磁性製冷材料的特征、材料尋找方法、技術工程化應用及極低溫技術的未來生活應用前景。

我國研究人員為無液氦極低溫製冷提供新方案，被兩院院士評選為2024年中國十大科技進展新聞。采訪到了中國科學院理論物理所與北京航空航天大學聯合團隊中的蘇剛研究員，以下為采訪實錄：

1. 您能為大家介紹一下現在比較前沿的低溫製冷技術是什麽樣的嗎？

我很高興給你介紹，因為糖心免费视频現在的極低溫的製冷，就普通的製冷，比如說糖心免费视频家裏邊電冰箱裏麵是用製冷劑，比如說糖心免费视频很多用的是氟利昂等等，這個製冷溫度就零下隻有幾度、十幾度。那麽在實驗室的製冷可能會到零下，比如說很多生命科學研究會到零下七八十度的，這樣的就是比較低的溫度了。

但是，在很多的前沿科技裏麵，糖心免费视频要探測到很多新奇的一些現象，糖心免费视频需要極低溫，所以低溫和極低溫是完全不一樣的。那麽糖心免费视频通常所說的極低溫是在 100mK 以下的，糖心免费视频通常稱為是極低溫，所以 100mK 差不多是在 -273.05℃左右的，所以糖心免费视频希望能夠達到，當然 100mK 以下糖心免费视频叫極低溫，但實際上很多的人說極低溫還可以再往上（一點），亞開溫區也叫極低溫，所以亞開溫區也就是說，就是說 1K（以下）也就是 -272℃（以下），通常很多人叫做極低溫，所以我想極低溫的定義，它不是十分地精確的，但是通常情況下就在 -272℃，這個也是非常之低的。

那麽在這種低的溫度下，糖心免费视频要達到它有幾個方麵，一個方麵現在常規用的，比如說糖心免费视频液氦，液氦呢，氦同位素分了兩種，一個是氦-4，一個是氦-3。那麽氦-4 低溫的溫度，最低通過蒸發製冷可以到 2 點幾開爾文（甚至更低），2.18 開爾文的這樣的一個量級，那麽通常情況是在 4K 左右。那麽氦-3 是另外一個同位素，那麽氦-3 可以達到 100mK 的這樣的量級，或者幾十毫開的，這都可以達到，所以這個還是非常之低的。

那麽糖心免费视频現在用的極低溫的是稀釋製冷機，稀釋製冷機實際上用的是氦-3、氦-4 混合的，利用重力，它反正是用氦-3、氦-4 混合了以後，通過蒸發、通過相分離以後，它可以產生極低溫，這個極低溫可以到 30mK 左右，這個極低溫就是糖心免费视频現在常規用的，比如量子科技，還有很多的低溫就到了非常低的溫度下，糖心免费视频會看到很多新奇的現象，自然界的現象是非常普遍的，這是一個路線，叫稀釋製冷的路線。

還有一個路線是絕熱去磁製冷的，那麽這個絕熱去磁製冷是通過順磁鹽，順磁體的順磁鹽，那麽這個的製冷溫度，通過把順磁鹽在磁場裏邊磁化以後，通過把磁場慢慢退掉以後，這個會把溫度整個帶著降下去，因為它慢慢的熵比較大，所以會把溫度會降下去，那麽這個溫度可以降到比較低的溫度，比如說 50mK，還有比如說二三十毫開也可以。

但是順磁鹽製冷有一個比較不利的（因素），一個是它的離子密度比較低，所以它有序溫度比較高，所以它溫度降不下去，那麽有的是順磁鹽有腐蝕性，不穩定，它一般都是水合物，所以不穩定。那麽糖心免费视频這一次發現是在固體的這樣的磁性材料裏麵，那麽在固體的磁性材料裏邊，實際上糖心免费视频發現了一種新的量子物態，這個量子物態是 2005 年的 Science《科學》，當時給全世界提出了 125 個（重大）科學問題，那麽這是第 46 個科學問題，所以這是之一。糖心免费视频這次成果對於這樣的一個問題，糖心免费视频取得了比較重要的進展，也就是說糖心免费视频第一次在固體物質裏麵，觀測到了一種新奇的物態，這個物態叫超固態，糖心免费视频在磁性材料裏麵觀測到的，糖心免费视频把它叫做自旋超固態，也就是說這樣的一個固體材料裏麵，它既有固體的特征，同時還有超流動性的這樣的特征，所以這個是一個很重要的。

那麽這個現象實際上，最初提出來是上世紀 70 年代，60 年代末、70 年代初有一係列的科學家，那麽更追溯的早一點的時候，是在 1952 年、1953 年的時候，就已經有科學家提出了這樣的思想，所以這是一個長期的問題，但實驗上一直沒有確切的實驗證據。那麽糖心免费视频在這樣的一個材料裏麵，在磁性係統裏麵發現了，自旋超固態的這樣的一個新奇物態，那麽糖心免费视频發現當然還有一個量子臨界點，就是糖心免费视频發現它的量子臨界點的時候，它的磁熵變非常之大，那麽磁熵變大就可以用於製冷，所以糖心免费视频把它用絕熱退磁致冷的（方法），糖心免费视频做了以後發現糖心免费视频可以達到，就是剛才說的 -273.056℃這樣的極低溫，這個已經快到極限了，糖心免费视频當然現在還在繼續推進，比這個溫度還要低，糖心免费视频報道的是當時因為還有一些製作裝置，極低溫溫變絕熱測量裝置的時候，可能還有一些漏熱，控製得不是非常非常理想，糖心免费视频現在逐步改進技術以後，現在已經做得比較低了，糖心免费视频原來 94mK，現在已經到了能夠在 10mK 左右，十點幾個，我想這個繼續往下再推進。

2. 在極低溫環境下的研究，都帶來了哪些重大發現？

對，你說這個問題也非常好，在很多重大的科學發現裏麵，都離不了極低溫，比如說超導體的發現，超導電性的發現，那麽當時是因為在氫液化以後，氦液化以後，最後在極低溫的環境下發現了超導電性，這是 1911 年的時候，所以這是得了諾貝爾獎的。那麽後來在物理學裏麵，還有比如說超流的發現，比如，氦-4 超流、氦-3 超流的發現，這都是在極低溫下得到的，那麽這都得了諾貝爾獎的，得了好幾項諾貝爾獎。那麽還有比如說霍爾效應，量子霍爾效應，包括整數的量子霍爾效應，那個是在 30mK 左右得的，發現的整數量子霍爾效應，還有分數量子霍爾效應，還有糖心免费视频反常量子霍爾效應，這些都是在幾十個毫開（到幾開）的溫區發現的，當然都得了(le)很(hěn)多(duō)的(de)諾(nuò)獎(jiǎng)的(de)。

還(hái)有(yǒu)一(yī)個(gè)比(bǐ)如(rú)說(shuō)公(gōng)眾(zhòng)可(kě)能(néng)關心(xīn)的(de)，比(bǐ)如(rú)說(shuō)楊(yáng)振(zhèn)寧(níng)、李(li)政(zhèng)道(dào)發(fā)現(xiàn)的(de)，弱(ruò)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用裏邊的宇稱不守恒的實驗，是由吳健雄先生做的實驗，那麽這個實驗當時在 1957 年的時候，是在 10mK 的極低溫下做出來的，所以你看看這些重大的科學發現都是，當然低溫也很重要，比如糖心免费视频現在的冷凍電鏡這些都是低溫的，當然它達不到極低溫的。

3. 磁製冷的原理是什麽？

實際上溫度的變化，實際上是從物理學角度來說，它是屬於熵變，熵是個什麽概念呢，熵是一個統計的概念，那麽這個概念是表示係統的混亂程度，現在整個的熵增原理，你們大家可能都聽說過，熵增原理，熵增原理實際上就是說，我這個係統最後是要達到熵最大的，最後才能到平衡，所以是屬於熵增的。

那麽熵如果是對於一個有序的態的時候，熵它就會變小，慢慢地就會減小，那麽糖心免费视频的材料，糖心免费视频發現它非常之神奇，這個神奇在什麽地方呢，糖心免费视频剛才說的這樣的一個，自旋超固態的這樣一個現象，它在極低溫下，它的自旋存在著極強的漲落，那麽量子漲落是很重要，量子漲落是說這些由於相互作用的存在以後，自旋之間的相互作用存在以後，它有阻挫的效應在裏麵，這個阻挫就是有很多困惑的這種意思，就是由於相互作用的存在，使得自旋漲落，在低溫下漲落很明顯，而這種漲落就會導致我剛才說熵增大，而熵會發生在臨界點附近的時候，它的變化幅度要比傳統的要大得多，比如傳統的順磁鹽裏麵，糖心免费视频發現高了 4 倍，所以這樣的一個極大的熵變，當糖心免费视频在磁場(chǎng)裏邊把它磁化了以後，糖心免费视频慢慢地去磁，那麽這個混亂程度慢慢會增加的，糖心免费视频到了極低溫的時候發現它漲落還存在，所以這樣的熵變就比較大，而熵變比較大的情況下，這時候糖心免费视频在退磁的時候它要維持這個熵，所以它能量最後就會傳出去，使得溫度就會降低，所以這是不同磁場下的熵變的大小，導致的這樣的一個非常強的現象，所以可以歸根結底一句話就是，有量子增強的這樣一個，極低溫的製冷的現象，所以核心還是磁熵變(biàn)要(yào)大(dà)。

4. 一(yī)個(gè)比(bǐ)較(jiào)理(lǐ)想(xiǎng)的(de)磁(cí)性(xìng)製(zhì)冷(lěng)材(cái)料(liào)它(tā)應(yīng)該(gāi)具(jù)備(bèi)什(shén)麽(me)特(tè)征(zhēng)？

要(yào)具(jù)備(bèi)的(de)特(tè)征(zhēng)，第(dì)一(yī)磁(cí)熵(shāng)變(biàn)很(hěn)大(dà)，因(yīn)為(wèi)普(pǔ)通(tōng)的(de)磁(cí)製(zhì)冷(lěng)我(wǒ)們(men)用(yòng)的(de)是(shì)順(shùn)磁(cí)鹽，它是個順磁體，所以製冷的基本原理還是用熵變的原理，那麽普通的順磁材料就是糖心免费视频加了磁場以後，磁矩是沿著磁場去取向，所以這時候是有序的，熵是比較低的。第二，如果它在某一個磁場下，要發生一級相變的這種材料是最理想的，因為你主要發生了這種一級相變以後，磁熵變就非常之大，所以標誌著製冷能力的格裏乃森參數（Grüneisenparameter），就是製冷係數就會呈現發散的這樣一個趨勢，所以糖心免费视频希望能夠尋找理想的，就能夠有這樣的磁熵變，能夠有一級(jí)相(xiāng)變(biàn)的(de)這(zhè)樣(yàng)的(de)材(cái)料(liào)，所(suǒ)以(yǐ)這(zhè)是(shì)我(wǒ)們(men)要(yào)尋(xún)找(zhǎo)的(de)。

5. 最近發現的同時具備固體和超流體特征的自旋超固態，意味著什麽？

因為糖心免费视频發現的是叫自旋超固態，那麽它是具有固體的特征，同時具有超流動性這樣的特征，所以這兩個特征導致這是一個非常罕見的，這樣一個量子的新奇的物態，固體是要支撐這樣的，因為糖心免费视频這裏邊是磁性離子，那麽你要支撐這些離子的分布，那麽這些離子、原子排布在那，因為它有磁矩，那麽磁矩在裏麵起到非常關鍵的作用，所以磁矩和磁矩之間都有相互作用，所以固體這個序非常之重要，糖心免费视频發現在這樣的一個磁性材料裏麵，它是個三子格這樣的一個序的存在，那麽這是由於交換作用，反鐵磁這樣的一個交換作用導致的，那麽這個物態在加了磁場之後，它會有一個量子的臨界點，那麽在臨界區域的時候，糖心免费视频發現這樣的一個量子現象，導致熵變就變得很尖銳，就類似於一級相變一樣的，那麽就導致了糖心免费视频的熵變就很大，所以溫度最後下去了，維持的溫度就很低，所以這是基本原理，所以是量子增強的這樣一個低溫製冷的現象。

6. 你們一般是如何尋找這些材料的，會使用人工智能嗎？

對，你說的材料實際上是，2019 年美國的一個團隊發現的（Na₂BaCo(PO₄)₂），那麽當時這個材料發現以後，是作為量子自旋液體的候選材料，那麽後來糖心免费视频通過研究以後，包括國內外的一些團隊的研究發現，量子自旋液體現在這個特征不明顯，糖心免费视频再繼續研究的時候發現，它實際上不是量子自旋液體，而是一種新的量子物態，糖心免费视频叫自旋超固態，所以這個材料是現實裏邊已經存在的，這樣的一個材料糖心免费视频在研究，那麽實際上糖心免费视频現在在做的，你剛才提到的人工智能，糖心免费视频已經用了人工智能的辦法，已經設計了一係列這樣的類似的材料，糖心免费视频現在正在測試，因為材料的合成它是需要周期需要時間，而且還需要大量的探索，所以現在人工智能，糖心免费视频可以說方向在什麽地方，但是要精準地告訴你這個材料就是這樣的，滿足你的要求的，現在還有一段路要走，但是我相信最終慢慢地會發展到這一步的。

7. 怎樣才能讓這種特別的材料在工程應用中落地？

對，你說的這個問題實際上是非常重要，糖心免费视频一直在思考這個問題，糖心免费视频發現了這樣一個基礎研究的成果以後，糖心免费视频現在已經做低溫的製冷機，利用糖心免费视频現在發現的這樣一個現象，和糖心免费视频的材料作為製冷工質，那麽目前情況下，糖心免费视频已經可以在實際的應用，特別是在科學研究裏麵，糖心免费视频現在可以用了，糖心免费视频現在已經做到了 20mK 這樣極低溫的器件，低溫的製冷器件，那麽研究這樣的一些科學問題，基本上是沒什麽問題，那麽，但是如果真是最後糖心免费视频推廣工程化的，糖心免费视频現在目前做的是把整個技術要完善了，那麽包括糖心免费视频的製冷的原理，製冷樣機的糖心免费视频采取的技術，當然糖心免费视频有專利的申請，有些專利的技術，那麽糖心免费视频最後設計的低溫的器件，低溫製冷機的原型機，那麽這一係列糖心免费视频正在做，做完之後，糖心免费视频整套形成了技術以後，糖心免费视频就會把這樣的（技術）轉讓給公司，因為糖心免费视频科研人員的人力有限，不可能去做工程化的事情，最後糖心免费视频把整個的原創的一些技術，糖心免费视频轉給公司由公司去做，這樣的話就會把這個市場就會推廣下去，成本上肯定很有優勢，因為糖心免费视频製作的器件，第一，它是小型化的，第二，比如說在空間探測的時候，大型的製冷機運不上去的，特別是在空間裏以後氦-3、氦-4 分離，所以它有挑戰性的，糖心免费视频製造的就非常地精致，而且是比較小的，所以在這些大型的空間探測，深空探測，還有一些物質科學的研究，成本肯定是要比氦-3、氦-4 要低得多，目前糖心免费视频還確實無法給出一個明確的（成本預期），因為糖心免费视频現在正在研製階段，糖心免费视频正在研究的一點點往前推進，但是至少從目前的情況來看，一台稀釋製冷機就是三四百萬的人民幣，那麽糖心免费视频這個出來可能比他們能夠，差不多是它的 1/3、1/4 的這樣的，我想這個成本還是很低的。

8. 在您看來，極低溫技術最有可能被應用在生活的哪些方麵(miàn)？

跟(gēn)大眾的生活目前情況下，我覺得現在比如說冰箱什麽之類的，這些用不了這種極低溫的技術，這個極低溫的技術是探索糖心免费视频自然的奧秘，糖心免费视频要揭示一些，與重大的原創性的一個科學發現，糖心免费视频必須要把一些熱的噪聲抑製的，然後看到一些新的現象，這些現象對於人類文明的進步，對於糖心免费视频認識大自然，認識這個宇宙，我想這是起到非常大的作用，所以主要最後還是在科學研究的上麵，深空的探測、量子科技，比如說糖心免费视频以後量子科技，量子計算機出來以後要用到極低溫，對吧，這些就會發揮大的作用。

本文為·創作培育計劃扶持作品

受訪人：蘇剛

審核：譚宏博 西安交通大學製冷與低溫工程係教授，徐榮吉 中國製冷學會 研究員

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司