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絕對零度
來源:互聯網

絕對零度(英文:absolute zero)就是熱力學溫標定義的零點(0 K,相當于攝氏度273.15 ℃或華氏溫標-459.67°F),代表的是自然界中任意一個系統在平衡條件下可以趨近的最冷狀態。絕對零度是熱力學理論中溫度的下限值,實際上永遠也不會達到的。絕對零度是根據理想氣體所遵循的規律,即理想氣體狀態方程(PV=nRT),用外推的方法得到的。當溫度降低到-273.15℃時,氣體的體積或壓強將減小到零。在此溫度下,物質分子沒有動能,但仍然存在勢能,此時內能為最小值。熱力學定律表明,僅使用熱力學手段不能達到絕對零度,因為被冷卻物質的溫度漸近地接近冷卻劑的溫度。即使是一個處于絕對零度的系統,如果它能以某種方式實現,仍然會擁有量子力學零點能量,即絕對零度時基態的能量;基態的動能不能被去除。

1954年第十屆國際計量大會規定了熱力學溫標的定義,熱力學溫度的單位開爾文(K)現在是國際單位制中七個基本單位之一。2018年11月16日,國際計量大會通過決議,1開爾文定義為對應玻爾茲曼常數為1.38060649×10-23 J·K-1的熱力學溫度,新的標準定義于2019年5月20日起正式生效。

人們通過氣體液化、離子去磁、核去磁等方法,逐步逼近絕對零度。超低溫狀態下的物體呈現超導、超流等量子效應。其應用范圍包括超導領域、醫學領域、食品領域等。

歷史

提出

17世紀英國物理學、化學家羅伯特·波義耳(Robert Boyle)是最早討論絕對最低溫度的可能性的人之一,他在1665年發表的《觸及寒冷的新實驗和觀察》(New Experiments and Observations touching Cold)中闡述了關于"最低溫度"的設想。1702年,法國物理學家紀堯姆-阿蒙頓(Guillaume Amontons)提到了“絕對零度”的概念。他發現氣壓正比于溫度差的規律,并設想在某個溫度下空氣的壓力將等于零。他計算出這個溫度為攝氏度溫標的-239℃,并改進了伽利略·伽利萊(Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei)的空氣溫度計。1779年,約翰-海因里希-蘭伯特(Johann Heinrich Lambert)重復了阿蒙頓的實驗,計算出該數值為-270 °C,更接近-273.15 °C。然而,在這一時期,絕對零度的這一數值并沒有被普遍接受。1787年,法國物理學家讓·查理(Jacques Alexandre Cesar Charles)發現,溫度每降低1度,氣體的體積就減少1/273。這個關系式叫做“查理定律”。查理據此推測,如果溫度降到零下的某個范圍內,即大約-273 °C,氣體將消失,由于氣體的體積不能為負數,因此他認為-273 °C即為絕對零度。1802年,法國化學家約瑟夫·路易·蓋-呂薩克(Joseph Louis Gay -Lussac) 在進一步研究氣體性質的過程中提出了蓋·呂薩克定律,根據查理定律和蓋·呂薩克定律可以推算出絕對零度。至此絕對零度的思想才得到物理學界的普遍承認。19世紀末期,英國物理學家開爾文(Lord Kelvin,即威廉·湯姆森William Thomson)指出,溫度下降1 ℃時,分子內能下降了1/273,在最低溫度時分子能量降為零。開爾文將-273 ℃定作開氏溫標的零度(0 K),開氏溫標又稱熱力學溫標,熱力學溫度與攝氏度間的關系為T=t+273.15。根據精確的測量,0 K應是-273.15℃。又稱這一溫度為絕對零度。

為了完全確定溫標,1954年第十屆國際計量大會規定選擇純水的三相點作為標準溫度點,并嚴格定義它的溫度為273.16 K,還定義水的三相點溫度的1/273.16為“1 K”。熱力學溫度的單位開爾文(K)現在是國際單位制中七個基本單位之一。在1968年以后的國際計量局的正式文件中,就不再繼續使用“熱力學溫標”這個術語了。

2018年11月16日,國際計量大會通過決議,1開爾文定義為對應玻爾茲曼常數為1.38060649×10-23 J·K-1的熱力學溫度,新的標準定義于2019年5月20日起正式生效。

對絕對零度的探索

人類真正向低溫進軍是從氣體的液化開始的。十八世紀末,科學家馬倫在用氨氣檢驗玻意耳一埃德姆·馬略特定律時發現,當壓力大于7個大氣壓時,即使不再增加壓力,氨氣的體積仍繼續減小,原來此時氨氣開始液化了。后來人們用加壓法液化了不少氣體。1823年,英國科學家戴維及邁克爾·法拉第在加熱分解密封玻璃管中的氯化物時,發現試管冷端出現液化了的氨。由此可知。壓力和溫度都會影響液化。據此認識,人們又將許多氣體液化成功,但氧、氮、氫等仍無法液化,故科學界一度以為它們是不可能液化的“永久氣體”。

1852年,焦耳和威廉·湯姆孫在研究氣體的內能和體積變化的關系時,發現了“焦耳-湯姆孫效應”,即充分預冷的高壓氣體,通過多孔塞在低壓空間絕熱膨脹后溫度會降低,這為獲得低溫提供了一個新途徑。

1875至1880年,德國工程師林德(K.Linde)根據焦耳-湯姆孫效應,采用“循環對流冷卻法”制成了氣體壓縮式致冷機,發展了氣體液化技術,導致氧、氫液化的成功1877年蓋勒特(Gailletet)在巴黎液化了氮和氧,1898年杜瓦在倫敦液化了氫,1902年法國工程師喬治·克洛德(Georges Claude)液化了空氣。

如將液化氣體慢慢降壓,蒸發時蒸氣吸熱逸散,余下的液體溫度下降,從而獲得低溫。1835年用此法獲得了-110 ℃(163 K)的低溫。

1863年英國化學家安德羅斯(Andrews)發現了“臨界溫度”(在這溫度以上,壓力無論怎樣加大,氣體不可能液化),1869年,他又指出,所謂“永久氣體”只不過是臨界溫度很低的氣體,只要找到能獲得更低溫度的方法,它們也是可以被液化的,這就為“永久氣體”的液化指明了正確的方向。

1872年范德·瓦耳斯(Johannes Diderik van der Waals)用分子運動論建立了物態方程,只要對某種氣體測出幾條等溫曲線,便可由方程求出該氣體液化的臨界溫度。1877年皮克特用級聯法(一種采用臨界溫度不同的氣體逐級蒸發冷卻而獲得較低溫度的技術),在-140 ℃(133 K)和500個大氣壓下使氧液化,幾乎在同時,凱泰不僅液化了氧氣,還液化了氮(90 K)和一氧化碳(78 K)。

氫氣的臨界溫度又要低得多,無法用級聯法液化。到了1898年英國人詹姆斯·杜瓦(Sir James Dewa)用多孔塞膨脹法才在33 K低溫下將氫液化。次年他又使氫固化成功,實驗中他實際達到了14 K的低溫。1895年在大氣中發現了氦,氦是最輕的惰性氣體,極難液化,甚至在杜瓦獲得的固化氫的溫度下不論加多大的壓強仍是氣體。

1908年7月9日,荷蘭物理學家海克·昂內斯(H.K.Onnes.1853—1926)在萊頓大學他所建立的低溫實驗室里實現了1.15 K的低溫,將發現不久的氦液化了,從而消除了最后一種“永久氣體”。實驗中溫度已低達4.2 K,后來翁納斯(Heike Kamerlingh Onnes)又獲得0.7 K的低溫。

叩開1 K的大門后,翁納斯采用了更大的抽氣機,去降低液態氦的蒸氣壓,企圖達到更低的溫度,但直至他臨終仍無長足進步。溫度降到1 K的過程中,科學家們發現了許多異常現象,比如:液態氫蒸發時所需的熱量異常的低;在液氦溫度下有超導電現象等等,這些現象用經典物理學無法解釋。人們要想方設法降低溫度,探索低溫世界中的物理現象。1926年德拜與吉奧克提出一種磁冷卻法。1933年,美國化學家吉威廉·弗朗西斯·吉奧克(William Francis Giauque)使用絕熱去磁制冷方法,使得溫度降至0.25 K,后來逼近至0.00002 K。

1936年兩位蘇聯物理學家蘇布科夫(Shubikov)及拉扎雷夫(Laxarev)發現核自旋也會產生順磁鹽,直至1956年,牛津大學弗蘭西斯·西蒙爵士與柯蒂及合作者,才用原子核絕熱去磁法獲得0.000016 K的低溫(存在僅1分鐘)。1965年,根據英國物理學家海因茨·倫敦(Heinz London)提出了一種稀釋制冷原理,獲得了一百五十萬分之一 K 的最低溫度。1979年芬蘭科學家羅納斯瑪(o.V.Lounasmaa)采用兩級原子核去磁法,核自旋溫度降到5×10-8 K。1995年達到2×10-9 K(五億分之一度)。

相關概念和定理

溫度

溫度是表示物體冷熱程度的物理量,微觀上來講是衡量物體分子(原子)熱運動劇烈程度的物理量。當我們感到一個物體比較熱的時候,就意味著它的分子(原子)在快速運動;當我們感到一個物體比較冷的時候,則意味著其內部的分子(原子)運動速度較慢。我們的身體是通過熱或冷來感覺這種運動的,而物理學家則是通過絕對溫標來描述和量化溫度的。

與相關溫標的換算

攝氏度是瑞典天文學家A·攝爾西烏斯于1742年制定的,也叫百分溫標,以水的凝固點為0 ℃沸點為100 ℃的溫標,用℃表示,世界上采用米制的單位都用它;科學工作中普遍采用。

華氏溫標是德國物理學家D·華論海特在18世紀制定的。他規定冰和鹽的等量混合物的溫度為0 °F,人體正常溫度為96 °F(后來調整為98.6 °F),用°F表示。這樣,水的凝固點則為32 °F,沸點為212 °F,兩點的間隔為180 °F。在一些英語國家中通用華氏溫標。

絕對溫標是英國物理學家T.W.開爾文制定的,即以理論上的絕對零度定為零點的溫標,用K表示。定義水的液態,固態與氣態三種形式同時存在的溫度與絕對零度之間的間隔為273.15 K。

列氏溫標為博物學家R.列奧米爾于1730年制定的。規定水的凝固點為0 °R,標準大氣壓下沸點為80 °R,用°R表示,曾一度流行,到1970年后實際上已廢棄。

熱力學溫度=攝氏度+273.15

熱力學溫度=(華氏溫度-32)×5/9+273.15

熱力學第三定律

1906年~1913年,德國科學家能斯脫從事低溫化學的反應的研究,并總結出一個新定理,叫做能斯脫定理,后來又被稱作熱力學第三定律:當溫度趨于絕對零度時,體系的熵[shāng]趨向于一個固定的數值,而與其他性質如壓強等無關。其公式可寫成:

Delta

還有另一種常用的表達方法是:絕對零度不可能達到,不可能用有限個手續使物體冷卻到絕對零度。

根據能斯脫定理,馬克斯·普朗克引進了絕對熵的概念,既然在0 K時,系統的熵S是一個與狀態無關的絕對常數,在絕對零度時,理想晶體的熵為零。那么便可將0 K下的熵作為熵的計算起點。令S0=0,則

應用絕對熵的概念,可以將化學平衡常數的表達式簡化。

吉布斯自由能(G)、焓(H)和熵(S)的變化之間的關系

決定自發過程能否發生既有能量因素,又有熵因素,涉及兩個變量△H和△S。為了研究方便,熱力學中提出一個新的狀態函數自由能(free energy),由美國物理學家吉布斯(Gibbs J. W.,1893—1903)提出,也叫吉布斯自由能。自由能用符號G表示,G=H - TS,式中,H、T和S都是系統的狀態函數,所以他們的組合C也是狀態函數,其單位是J或kJ。絕對零度時,G=H。

對于一個等溫等壓過程,設始態的約西亞·吉布斯自由能為G1,終態的吉布斯自由能為G2,則該過程的吉布斯自由能變化為△G,則

2-S

H-T

此式稱為吉布斯-亥姆霍茲方程。

查爾斯定律

法國科學家雅克·查爾斯(1746~1823)用氣體做實驗并導出了查爾斯定律,該定律宣稱只要壓力保持不變,所有的氣體都以相同的速率隨溫度的變化而膨脹或收縮。該定律也稱為蓋魯薩克定律。查爾斯定律可以用數學方式表達為:式中,T1是原始溫度;V1是原始體積;T2是新的溫度;V2是新的體積。

費米氣體

有許多物理體系可以近似地看成是大量自旋s=1/2的全同粒子被局限在一定空間內做自由運動.如果空間體積足夠大,則體系的性質同空間的形狀無關,我們可以把空間取為邊長為L的立方體當粒子的數目非常大時,這樣的體系稱作費米氣體。

隨著標準化溫度NkT/E0從高于1的值變為低于1的值,理想費米氣體從經典狀態轉變為量子狀態。低溫、高粒子密度和小粒子質量都傾向于將理想費米氣體置于量子狀態。

在極端量子極限NkT/E0<<1條件下,理想費米氣體基態壓強p0為

該壓強p0通常被稱為簡并壓強。在此處,形容詞“簡并”只是意味著“相對較高的占有率”或“在量子極限內”。“基態壓強”這個短語更能說明問題。在T→0極限下,基態能量E0不為零,基態壓力p0不為0,但是熱容為0,這些是理想費米氣體最突出的量子特征。

絕對零度下,理想費米氣體的費米能量、費米動量、費米速度和費米壓強在絕對零度下均不為零,只有熵為零;而理想玻色氣體,即玻色凝聚體的能量、動量、速度、壓強和熵在絕對零度下為零。

熱德布羅意波長

有關物質接近絕對零度時的行為,可初步觀察熱德布羅意波長(Thermal de Broglie wavelength)。定義如下:

式中h為普朗克常數、m為粒子的質量、k為玻爾茲曼常量、T為開爾文。可見熱德布羅意波長與絕對溫度的平方根成反比。因此當溫度很低的時候,粒子物質波的波長很長,粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊,因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),玻色-愛因斯坦凝聚在1995年首次被實驗證實,這是在接近絕對零度的溫度下出現的一種新的物質狀態,是極低溫下觀察到的一種量子相變現象,當時溫度降至170 nK。

宇宙溫度的絕對零度

我們可以這樣認為,宇宙中的確存在絕對零度,當普朗克力子處于相對靜止狀態(每秒運行6.67×10-34 m),并且宇宙處于最大尺度(宇宙的體積1.66×10320 m3),宇宙的溫度處于絕對零度,所以宇宙絕對零度由下列公式計算:

代入數值得:

難以達到的絕對零度

一種經典的近似的熱學理論這樣解釋:物體內分子無規則運動的平均能量與溫度成正比;如果溫度達到0 K,物體內能降低至零,分子的無規則運動將會停止;而物體內每個分子都靜止不動又是不可能的,所以物體溫度就不能達到0 K。

但是,隨著實踐的進展,經典熱學理論已顯示出它的局限性,近代物理的量子理論對上述解釋又作了修正,它指出,即使溫度達到了0 K,分子運動也不會停止,而是每個分子都可以具有一個最小能量——“零點能量”。分子可能具有的能量值不是連續的,只能取一些間斷的、大小不同的能量值(量子)。由于多種因素的影響,使物體每個分子都無例外地處于能量最小狀態的可能性是極小的,以至于實際上不能達到,因此,從實際考慮,物體的溫度不可能達到0 K。

真空零點能

在絕對零度下,任何能量都應消失。可就是在絕對零度下,依然有一種能量存在,這就是真空零點能。

真空零點能,因在絕對零度下發現粒子的振動而得名。這是量子真空中所蘊藏著的巨大本底能量。海森堡不確定性原理指出:不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此,當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動;否則,如果粒子完全停下來,那它的動量和位置就可以同時精確地測知,而這是違反測不準原理的。這種粒子在絕對零度時的振動(零點振動)所具有的處于絕對零度的宇宙邊緣處能量就是零點能量

量子真空是沒有任何實物粒子的物質狀態,其場的總能量處于最低,這是一切物質運動及能量場的最初始狀態,它的溫度自然處于絕對零度。這樣的狀態具有無限變化的潛在能力。零點能就是由(量子真空中)虛粒子,不斷產生的一對反粒子的出現和湮滅產生的。據推測,量子真空中,每立方厘米包含的能量密度有1013焦耳

從理論上看,真空能量以粒子的形態出現,并不斷以微小的規模形成和消失。真空中充滿著幾乎各種波長的粒子,但卡西米爾認為,如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起,較長的波長就會被排除出去。接著,金屬盤外的其他波就會產生一種往往使它們相互聚攏的力,金屬盤越靠近,兩者之間的吸引力就越強。1996年,物理學家首次對這種所謂的卡西米爾效應進行了測定。這是證明真空零點能量存在的確鑿證據。

負溫度

長期以來,人們一直認為絕對溫度只能是正數。但在1951年,珀色耳(Parcell)和龐德(Pound)在LiF晶體上發現核自旋體系可處在絕對溫度為負的態上1956年威廉·拉姆齊(Lamsay)利用量子統計給出了理論說明。

根據熱力學基本方程,絕對溫標T與熵S和內能E的增量存在如下關系:

從該關系可以看到,如果系統熵和能量同向變化,則,反之則。一般情況下,內能增加,系統的總是增大的,系統總是處于正溫度。但在一定條件下,某些系統可以達到真正的負溫度;也就是說,其熱力學溫度可以是一個負數

2013年1月3日,德國物理學家宣布,他們使用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度,通過迅速改變鉀原子晶格結構所處的磁場,將系統從最穩定的狀態突然轉變為最高能態,在這種情況下,系統的熵與能量是反向變化的。

然而,一個具有負絕對溫度的系統并不比絕對零度更冷。相反,一個具有負溫度的系統比任何具有正溫度的系統更熱,因為如果一個負溫度系統和一個正溫度系統接觸,熱量將從負溫度系統流向正溫度系統。從冷熱角度考慮,按照由冷至熱的順序,可以對正溫度和負溫度從左至右進行排列,可以看到,絕對零度仍然是“最冷”的。在負溫度下,系統的狀態變化仍然遵從熱力學基本定律。

最新研究進展

據《自然》雜志網站報道,2013年1月,德國慕尼黑大學的物理學家烏爾里希-施耐德(Ulrich Schneider)使用一種超冷卻的量子態氣體實現了低于絕對零度的創舉。借助激光和磁場,這些氣體物質從剛剛高過絕對零度的狀態瞬間轉變至低于絕對零度數十億分之一度的水平上。

施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度。他們用激光和磁場將單個原子保持晶格排列。在正溫度下,原子之間的斥力使晶格結構保持穩定。然后他們迅速改變磁場,使原子變成相互吸引而不是排斥。這種突然的轉換,使原子還來不及反應,就從它們最穩定的狀態,也就是最低能態突然跳到可能達到的最高能態。就像你正在過山谷,突然發現已在山峰。在正溫度下,這種逆轉是不穩定的,原子會向內坍[tān]塌。他們也同時調整勢阱激光場,增強能量將原子穩定在原位。這樣一來,氣體就實現了從高于絕對零度到低于絕對零度的轉變,約在負10億分之幾開爾文

意大利國家核物理研究院(INFN)10月22日宣布,其所屬格蘭薩索粒子物理國家實驗室(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)科學家們將一個體積為1立方米的銅容器冷卻到6毫開,并持續了15天,將如此大塊物質整體冷凍到如此接近‘絕對零度’,是前所未有的。

2015年6月,麻省理工學院的實驗物理學家將鉀鈉氣體中的分子冷卻到500納克爾文的溫度,通過冷卻這些分子,有望展現出一種奇異的物質狀態。

德國的科學家們2021年8月30日在《物理評論快報》上報告說,他們通過對銣[rú]原子薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛因斯坦凝聚物的物質波透鏡創造的,將磁化氣體從393英尺(120米)的高塔上落下,達到了38萬億分之一開爾文,并停留了大約2秒,創造了"絕對負記錄"。此前的記錄是3600萬分之一開爾文,是由科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家用專門的激光器實現的。

而智利天文學家發現的宇宙中已知自然界中最冷的地方之一是“回力棒星云”(又稱“回力棒星云”),被稱為“宇宙冰盒子”,它位于半人馬座,距離地球約5000光年。根據歐洲航天局的數據,其平均溫度為-272攝氏度(約1開爾文)。研究認為:布莫讓星云是氣體和塵埃組成的云團,是從一顆正在死亡的恒星中以大于150 km/s的速度噴濺出來形成的星云。由于急速膨脹需要能量,而周圍沒有任何熱源,只能消耗內能,所以布莫讓星云內部溫度不斷下降,最終達到接近絕對零度的狀態。這個“熱度”是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度,不僅是證明大爆炸理論最顯著有效的證據之一,也為研究宇宙背景輻射提供了寶貴的線索。

逼近絕對零度的方法

蒸發冷卻

在大氣壓下,液氦會在4.2 K下沸騰。隨著壓強的降低沸點逐漸降低。所以只需要通過泵吸走蒸氣降低壓強就可以進一步降低液氦的溫度,也即液氦可以通過蒸發降溫。但是當溫度低于1 K時,這個過程變得不切實際:即使是很小的熱量泄漏,也會顯著提高氦氣的溫度,此時即使使用最好的真空泵,也不能足夠快地去除蒸氣進行補償。氮的稀有同位素氦-3在大氣壓下沸點僅為3.2 K,可以通過泵降低壓強冷卻至約0.3 K。

氦稀釋制冷機(helium dilution refrigerator)

要從1 K到幾 mK,選擇的方法通常是使用氦稀釋制冷機。冷卻是通過“蒸發”液態3He完成的,但不是蒸發到真空中,而是溶解在更常見的同位素4He的液體中。小于1 K時,這兩種同位素幾乎是不混溶的,就像油和水。在約0.1 K以下時,基本上沒有4He溶于純3He,而少量的3He(約6%)會溶于純凈的4He。因此,在“混合室”中,3He連續溶解(“蒸發”)進入4He,同時吸收熱量。然后3He向上擴散通過換熱器到0.7 K的“蒸餾室”中,此處,外界的熱量使其蒸發(傳統的液體到氣體的蒸發)。He在整個過程中基本上是惰性的:它在這個溫度范圍內是一個“超流體”,它對3He原子擴散的阻力可以忽略不計;它的揮發性低于3He,因此不會在蒸餾室中有顯著的蒸發。在蒸餾室蒸發后,氣態的3He被壓縮,再冷卻成液體(通過液體4He的不接觸冷卻),最后通過換熱器送回到混合室。

磁致冷(magnetic cooling)

達到 mK溫度的另一種方法是使用基于順磁材料特性的磁致冷。對于任何非零場強,T→0時(所有的偶極子都朝上),熵都會變為0;并且在足夠高的溫度(偶極子的排列變得隨機)時,熵趨向一個非零有限值。場強越高,熵隨著溫度的增加越緩慢(由于偶極子更傾向于保持與外場對齊)。在磁致冷過程中,首先將樣品與恒溫“熱庫”(如液氦)進行良好熱接觸。之后增加磁場,由于樣品溫度不變,熵同時下降。然后,將樣品與熱庫隔絕并降低磁場,這將導致熵恒定而溫度下降。這個過程類似于等溫壓縮理想氣體后,它絕熱膨脹所造成的冷卻。

在核順磁體中,偶極子間相互作用要弱得多,因此可以獲得更低的溫度。1993年,赫爾辛基(Helsinki)大學的研究人員使用佬進行核磁致冷,產生的溫度低至280 pK,即2.8×10-10 K。

激光致冷(lasercooling)

即使在非常低的速度下,如果沒有額外的陷俘力使原子朝向中心,原子會很快撞到容器較熱的墻壁(或者落到底部)。這種陷俘力可以使用不均勻的磁場產生——磁場可以改變原子的能級,從而令原子吸收光子的趨勢與其位置有關。通過組合激光致冷與陷俘力可以很容易地將原子云冷卻到大約1 mK,并且不使用任何麻煩的液氦或傳統的低溫設備。這種技術最近已經可以達到微開爾文甚至納開爾文的溫度范圍。在1995年科學家們用這種方法獲得2×10-8 K的極低溫。

應用

隨著科學技術的迅速發展,低溫技術將更多地為人類造福,包括從食品保存到生命冷凍,從工業生產到尖端超導技術等各個方面。

超導領域

低溫超導現象的發現是人類科技進步的一個里程碑。在電能傳輸過程中,由于導線電阻的存在,產生熱效應而白白地消耗了電能,還會給機器、設備造成損害。超導現象的發現,促使人們去探究物質世界中超導電性的奧秘,發展其技術應用。目前,超導技術在許多重要領域中得到應用,如超導磁體、超導加速器、超導托卡馬克聚變實驗裝置等。

量子計算領域

當前的量子計算機設計依賴于特殊材料(例如由核反應堆生產的Helium-3)它們需要超導電纜。在運行期間,量子計算系統必須冷卻至接近絕對零度。當前的量子計算機主要是實驗室中的系統,需要專門的專家團隊來進行制造和操作。

醫學領域

在醫學上,低溫更具有奇特的妙用。各種冷凍治療機配合各種專門設計的特種冷刀,在腫瘤學、耳鼻喉科、皮膚科和外科中得到廣泛的應用。更奇妙的是,生物的深低溫貯存技術發展很快。目前,利用液氮可以長期保存人體的皮膚、眼球、骨骼,甚至細胞。進一步地,人們將開展“冷凍”生命的試驗。

參考資料 >

Quantum gas goes below absolute zero.nature.2023-04-04

科學家制造原子氣體首次實現低于絕對零度狀態.新浪科技.2023-09-01

科學家在實驗室獲得1立方米宇宙最冷區域.中國科學院.2023-09-01

科學家揭示氣體分子接近絕對零度時的奇妙變化.微信公眾平臺.2023-09-01

物理學家打破了在實驗室里創下的最低溫度記錄.中國數字科技館.2023-09-01

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