炎热的夏天，我们视空调为救世主，如今的城市人恐怕难以想象没有空调的日子会怎样。坐在屋内享受凉风吃冰西瓜的时候，大家有没有想过这份“冰爽”是怎么来的？物理学家和工程师们是怎么将凉意一步步带入千家万户的？当然，物理学家的野心远不止此。热力学第三定律给出一个“绝对零度”：-273.15 摄氏度（0K），在这个温度下，系统的熵达到一个定值——零。好，我们就要这个温度！ 我们为什么要关注极低温下的世界呢？事实上，我们的宇宙从一开始就在不断的冷却，直到今天只有约 2.7K 的温度。随着时间推移，宇宙会进一步冷却直至绝对零度，归于死寂。然而，正是在这个冷却的过程中，被环境温度所掩盖的各种凝聚现象得以逐步展现，形成各种复杂的物质和材料，构成我们多姿多彩的世界。当温度逼近绝对零度时，我们甚至发现，那里隐隐藏着改变世界的力量！今天就向大家介绍一下这些科学研究的基础——创造低温环境的低温技术。 撰文：无邪（量子计算领域从业人员） 一个世纪之前，莱顿大学的昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）教授第一次将氦气液化，从此打开了极低温物理世界的大门。昂内斯本人也因此而发现汞的超导电性，成为超导第一人。百年来，低温技术不断进步，减压降温、3-He 制冷、绝热去磁、稀释制冷等技术逐步出现并商业化，使得温度环境从 4.2K 逐步推进到 1K、500mK、100mK 直至 10mK 以下。 如今，低温技术在材料和基础物理研究中如此之普及，以至于很多科学家无法关注低温技术本身，或认为其理所当有——就如真空技术一样。今天写这篇关于低温，特别是极低温获取技术的普及篇，正是希望更多的人能给予低温技术更多的关注，这将有利于低温技术在国内的进一步发展。 我们为什么需要低温？ 混沌初开，我们的宇宙从大爆炸开始，就在不断降温。在这个降温过程中，四种基本的相互作用力分出来了，各种基本粒子分出来了，原子得以形成，物质得以凝聚，星系得以成型......经过了上百亿年的膨胀、冷却，终于成为了现在这个样子。到现在为止，创世之初留下的遗迹，也就是宇宙“微波背景辐射”无处不在。宇宙从爆炸之初极高的温度——连基本作用力都无法区分——冷却到现在微波背景辐射仅 2.7K 的温度。 可以预见的是，这种冷却还将继续下去。曾经有人（开尔文勋爵，就是上文中温度单位K所致敬的科学家）预言，宇宙终有一日会变成一片死寂，没有光，没有任何运动，因为那时整个宇宙的温度将降至绝对零度——一个能将所有的运动冻结的温度。当然，后来的量子力学告诉我们，涨落是永恒的，即便是绝对零度，仍然会存在量子涨落，粒子仍然会动，光仍然会产生、湮灭。然而，宇宙走向冷却的趋势是不可阻挡的，热力学第二定律的步伐无比坚定，我们的太阳终将黯淡，我们的地球终将失去光明，变成绝望的地狱。
我们来仔细看看这个冷却过程中发生了什么？当温度足够高的时候，一切粒子都是游离状态，它们碰撞、结合，又分离......世界一片混沌。只有当温度降低之后，质子才终于能俘获电子形成氢原子，进一步冷却之后，这些原初的粒子才得以在引力作用下聚合成团，形成恒星这种造物发动机。当恒星内部聚合反应所释放的能量不足以支撑引力时，恒星将会爆炸，喷射出大量重元素。这些重元素在恒星外部的低温环境下重新聚合，分子和晶体开始形成，最终组成行星，比如我们的地球。地球进一步冷却之后，生命终于得以诞生并延续至今。 整个过程中，我们可以看到一条基本的线索：温度在逐步降低，新的凝聚现象则随之逐级发生。从物理学角度看，这是不同的对称性逐渐发生破缺。那我们不禁要问：如果温度进一步降低，还会有哪些凝聚现象会发生？这些新的凝聚现象及其引发的效应，能否为我们带来好处？这是凝聚态物理学家们思考的永恒主题，也是低温技术发展永远的原动力。 低温与量子力学 量子力学的开创与发展，起初与低温没有多少关系。量子力学现象，都是在光子、电子和原子中发现的，这些粒子的能量都很高，远比室温引起的热涨落高得多，因此在室温下就能表现出各种奇妙的量子现象。随着物理学探索进一步向更微观的世界发展，与低温更是渐行渐远，因为打开基本粒子的魔盒，往往需要更高的能量。然而，我们的现实世界终究是宏观的，我们接触到、感知到的，无一不是宏观的物体。既然量子力学能够主导微观世界，而宏观物体又无一不是由微观粒子堆砌而成，那么量子力学又是如何影响宏观世界的呢？ 早期的物理学家悲观地发现，一旦进入宏观世界，量子效应就“消失”了。我们不可能用薛定谔方程来求解一杯水是如何形成的，更不可能发现一杯水和另一杯水发生干涉或量子纠缠。接下来一个很自然的问题就是：量子（微观）和经典（宏观）的界限到底在哪里？既然二者分别有一套完善的理论来精确地描述，那它们该如何衔接呢？薛定谔——这位真正的“量子之父”——就曾提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验，用来阐释量子和经典放到一起会产生多么荒谬的结果——一只既死又活的、可怜的猫猫。
这种冲突，引领着第二代量子物理学家向包含更多粒子、粒子之间有着各种相互作用的多体体系展开研究。这显然是一个更富有挑战性的工作，大家应该都听说过三体问题：存在相互作用的三体运动问题是混沌的，其运动极其复杂，不能精确求解。更多的粒子岂不是灾难？物理学家们巧妙地采用了其他方法，而不是基于初始条件和运动方程去求解。这其中最具开创性的莫过于玻尔兹曼，他最早从统计学的角度来思考物理问题：即便我们无法了解到每个粒子的运动细节，我们也可以从其集体行为中获取信息。 玻尔兹曼没能活到参与量子力学大厦建立的黄金时代，他在同时代学术界的严重偏见中抑郁自杀了。但这不能阻挡统计物理在研究多体问题和各种宏观现象中取得巨大成功，更不能阻挡后来者站在他的肩膀上继续前行。特别在超导现象出现之后，这种宏观量子效应迫使人们从另一个角度来观察凝聚现象：抛开电子的个体行为，而来看它们的集体行为。这就好比在北京这样的超级城市，如果盯着每个个体的轨迹看，你看到的是包含大量噪音和随机性的个体行为，而只有采用统计学的方法，站在更高的视角，才能发现其中的社会行为趋势。P.W. Anderson 有一句名言：“More is different.”——多了就不一样了。其中颇含哲理，无论什么相互作用体系，多了之后就会有新的有序态出现。固体中的电子、群体动物的社会性，一直到恒星聚成星系、星系聚成星系团、星系团组成复杂的宇宙物质网。 而低温，让这些被热涨落掩盖的凝聚现象一点点展现出来。当温度低于某种凝聚现象的特征能量尺度时，这种凝聚现象就会表现出来，惊艳四座。空气，这种无形无相之物，当它逐渐冷却，你会发现水开始凝结成冰，继续冷却，二氧化碳、氧气、氮气、氢气乃至氦气都会凝结。再继续冷却，其中还有新的现象等着你。 如何获得低温？ 对于一个孤立的多体系统，只要设法将其中的能量不断抽取出来，或者说保持能量抽出的速度大于传入的，那么系统的温度就会持续降低。在现代实用技术中，实现低温的方法一般可以分为三大类。
拿日常生活中的例子来说，我们家家户户都有的冰箱和空调，就属于第一类制冷技术；而我们喝的冰可乐、冰咖啡，往往是往杯中扔一些冰块来制冷，这就属于第二类；至于第三类制冷方式，就我所知某些饮水机就采用“电子制冷”技术来获得凉水，利用的基本原理就是温差热电效应。 不同的温度区间适合于不同的制冷手段。自从空气液化技术和杜瓦技术成熟之后，采用空气中最主要成分——氮气液化作为制冷剂，成为一种非常便捷实用的制冷技术。在常压下氮气的液化温度为 77K，换算成摄氏度是-196 度，意味着在这个温度以上，我们都可以采用液氮来进行冷却。由于氮气太容易获取，液氮目前的成本已经比超市的矿泉水还便宜，因此它的应用极为广泛。比如说，医学上常用液氮来对生物组织进行迅速深度冷却，从而能够在不破坏生物活性的情况下长期保存生物样本。中科院物理所的科技开放日上，有一个网红科学小实验，就是将活蹦乱跳的小金鱼浸泡到液氮中，十余秒之后捞出（此时已成冰疙瘩）再放入水中，不一会，这条小鱼就将重新恢复活力。 对于更低的温度，比如零下 250 度，液氮就无能为力了。此时我们需要液化温度更低的气体来作为“冷媒”。早期用的较多的除液氮外还包括液氖（液化温度 27.1K），液氢（20.3K）和液氦（4.2K）。现在液氖和液氢已经退出了历史舞台，只剩下液氮和液氦，这两种气体都具有较高的惰性，使用起来非常安全。说到这里，我想起来我刚进入物理所读研究生时，程老师为我们做实验安全培训，中间讲了一个故事，至今印象极深： 早年物理所低温技术确实在使用液氢。有一次，几位苏联专家发现一瓶已用尽的液氢罐瓶口结了冰，于是就拿酒精灯烤，希望将冰化掉，结果......非常悲惨，他们错误地以为里面没有氢气了，但实际上有残留，并且有泄露，当酒精灯靠近时，巨大的爆炸声响起，小楼被炸开大洞，几位专家当场死亡。还好当时思想教育会议特别多，据说我们自己的科学家们都去别的楼学习了，幸免于难。 目前，低于液氮温度的几乎所有制冷技术，都与氦（He）有关。氦气是一种非常轻的惰性气体，它太轻了，以至于地球的引力根本抓不住它。目前大气层中氦气的自然含量约为百万分之五，这个浓度还将继续降低。氦气的液化温度为 4.2K，而即便降到绝对零度，它也不会变成固体。通过降低液氦的蒸汽压，我们还可以进一步降低液氦的温度（目前的技术大约能降至 0.8K）。氦气还有一种同位素（3-He），它比普通氦原子少一个中子，可想而知它的丰度就更低了（因为地球引力更不可能抓住它），在天然氦气中3-He 同位素占比仅约百万分之一，很难从自然界中分离出3-He 来。不过从人工核反应（比如氢的同位素氚衰变后就变成了3-He）中可以获得足够的3-He。 液氦在温度降低到大约 2.1K 时会进一步发生相变，成为“超流体”，超流体的特点是几乎没有粘滞性。在表面张力作用下，任何与液氦超流体接触的器壁表面，都会爬上一层薄薄的氦膜，这是一个非常有意思的现象，不过已经超出本文的科普范围了，超流现象与一种新的凝聚态——玻色-爱因斯坦凝聚有关，有兴趣的读者可以从其他资料中了解一下。1972 年，D. D. 奥舍罗夫（Douglas Osheroff）等人在 2mK 低温下发现了两个3-He 的液态新相，分别称为 3He-A 和 3He-B，它们均为超流体。按照3-He 比例多少，我们将这两种相分别称为“浓相”（含3-He 多些）和“稀相”（含3-He 少些）。因为3-He 要轻一些，所以浓相是浮在稀相上面的。人们进一步发现，3-He 浓相的焓值（即系统所包含的总热量）要比稀相低，这就意味着，如果一个3-He 原子从浓相“渗透”到稀相，就必须从外界吸收一份额外的热量。这一现象，成为了目前商业上可获得的最低温技术——稀释制冷技术的基本原理。
更为神奇的是，实验上发现，即便是温度达到绝对零度，浓相中仍然可以保留约 6.4% 的3-He，意味着即便温度趋近绝对零度，仍然可以维持稀释制冷过程。这就使得稀释制冷成为一种可以应用到接近绝对零度的制冷技术。目前，商用的稀释制冷机一般可以达到约 10mK（仅比绝对零度高 0.01 度），实验室内经过优化甚至可以达到 2mK 以下。在这个温度下，热涨落的能量不到百万分之一电子伏，使得大量低能的凝聚现象，以及拥有超精细能级结构的体系量子行为得以让我们一探其奥。 去年，我们的国家自然科学一等奖颁发给了以薛其坤院士为首的五位科学家，以表彰他们在量子反常霍尔效应的实验发现上做出的杰出贡献。这一新奇的量子现象就需要在极低的温度下测量，测量的环境就是由一台稀释制冷机提供。事实上，这个实验是在六年前完成的，当时国内的极低温测试环境非常稀缺，能够做出这样世界级的实验实属不易。 稀释制冷与量子计算 量子计算是一种全新的计算方式，利用量子力学的叠加性、纠缠性等原理，可以获得远高于经典计算机的计算能力。目前量子计算和量子通信等最前沿的量子信息技术，成为当下科技界和工业界追捧的大热点，以谷歌和 IBM 公司为代表的科技企业投入大量资源进行量子计算机的研发，更是将量子计算机的研究推向高潮。关于量子计算的科普完全可以作为另一个专题甚至是系列专题讨论，网上也很容易找到不错的科普资料，在这里暂时不做深入讨论，我们还是聚焦到量子计算与稀释制冷技术的关系上。 主要有两种类型的量子计算方案必须依赖极低温环境：一种是超导量子计算，一种是基于半导体量子点的自旋量子计算。这两种技术方案之所以必须要极低温，是因为它们都用到了极为精细的能级结构。以我熟悉的超导量子计算为例，它用到了约瑟夫森电路中超导相位的精细能级，在这种量子电路中，基态到第一激发态的能量差对应的频率大约在4-6GHz（1GHz=109Hz），对应的波长大约为 6cm。作为对比，我们可以看一下可见光，绿光的波长大约为 500nm，对应的频率大约为 6x1014Hz。因此量子计算中用到的光子能量比可见光要小 5 个数量级！ 如此低能的能级，要想保持其中量子态的相干性，环境中的噪声（涨落）就必须远低于这个能级差，接着上面的例子，要想清楚地看到一个量子电路中量子态的相干演化，所需的环境温度需低至 30mK 以下，当然，越低越好。在这样的高要求下，目前人类掌握的制冷技术基本筛选殆尽，就只剩下稀释制冷了。（当然，还有更为变态的制冷技术——核绝热去磁，对于量子计算而言又有点过剩。）
我国的稀释制冷机 稀释制冷技术很早就商业化了，从 1951 年伦敦（ Heinz London）提出可以利用超流4-He 稀释3-He 来制冷的理论到现在，已经过去六十余年。到如今，稀释制冷机虽然仍是非常昂贵的设备，但并不稀有了。我国从事低温输运、量子计算研究的几个顶级团队，拥有的稀释制冷机数量达十余台，使得我国在很多前沿基础研究领域保持世界领先地位。然而，遗憾的是，我国目前在稀释制冷技术上仍是空白，据我所知，国内拥有稀释制冷机的科研团队，所用制冷机不出牛津仪器、Bluefors、Janis 和莱顿这四家，其中牛津在英国，Bluefors 在芬兰，莱顿在荷兰，均在欧洲，Janis 则在美国。 比较有意思的是，我国曾经有一个团队——中科院理化所冉启泽先生团队，可以制造稀释制冷机，并且他们制造的制冷机还出口到了美国！很可怜的是，当时为了创汇，卖到美国的稀释制冷机极为廉价，仅约 5000 美金！时至今日，这个团队中的主要成员已经或去世或退休，后面没有年轻人来继续他们的事业。个中原因，难以辨明，也许只能从那些仍健在的老科学家口中听到了。问题是，有多少人愿意听呢？ 我在物理所读博士的时候，结识一位极精明能干的焊工，从前称呼董老师，现在叫他“董哥”。他当年就参与了稀释制冷机的研发工作，其中非常复杂的焊接任务，就是他完成的。很不幸的是，在他 48 岁那年遭逢横祸，一辆对向行驶的醉驾汽车发生侧翻，之后从空中翻滚飞过隔离带，砸向了他的车，董哥当时七窍流血，不省人事。虽然后来抢救过来了，但因受伤部位刚好是大脑，他忘记了很多人和事，并且至今左臂和左脚行动不便。之前的拿手技艺，转眼化为回忆和谈资，不胜唏嘘！当年研制的稀释制冷机，气体管理控制部分已经清理退库了，如今只剩下一个制冷机主体，日日停放在角落里任尘埃飘落。
令人略感欣慰的是，随着量子计算的“东风”吹过，国内终于有人重提研发稀释制冷机。广东省科技厅甚至发布一个专项，提供千万级别的项目，推动稀释制冷机研发。中船重工旗下的南京鹏力公司与 ice-oxford 公司合作，将为中科大打造一台“半国产”的稀释制冷机——其中的核心，稀释制冷模块，仍由外方公司提供。 稀释制冷技术算不算“卡脖子”技术？我没法判断，就目前而言，我们还是可以顺利地买到心仪的稀释制冷机的。但我知道的是，假如有一天量子计算技术真的走向了实用，稀释制冷技术将迎来前所未有的市场。如果我们现在不做，将来就会缺席。假如量子计算未来遇到瓶颈，走入低谷，如果我们有自己的稀释制冷技术，相信国内极低温方面的物理探索仍将得到极大的促进。 那么，我们的全国产稀释制冷机还有多远呢？诸君拭目以待吧！ |
