為什么我們想要逼近絕對零度？熱力學極限與低溫終點(5)

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2025-08-08 18:08:07 中國物理學會期刊網(wǎng)

降溫還是制冷

從核絕熱去磁制冷開始，我們需要進一步明確溫度的定義。兩個熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度，或者說，溫度這個態(tài)函數(shù)反映了系統(tǒng)的熱學宏觀性質(zhì)。所謂的系統(tǒng)，通常指的是由大量分子組成的宏觀物體，例如，氣體、液體和固體。但是在足夠低的溫度下，固體中的聲子、電子和核自旋之間交換能量的速度過于緩慢，哪怕固體處在宏觀性質(zhì)不隨時間變化的穩(wěn)定狀態(tài)，聲子、電子和核自旋的平均熱運動的情況也不相同。也就是說，它們?nèi)叩臒崮軣o法用一個整體的溫度去表征，而是需要分別用晶格溫度、電子溫度和核自旋溫度來描述。在有漏熱的情況下，這三者的溫度可以互不相等。

銅是核絕熱去磁過程中最好的制冷劑。降磁場的過程使銅的核自旋降溫，銅的核自旋再對其電子和晶格降溫，以幫助其他與銅機械固定的宏觀物體獲得μK以上的極低溫環(huán)境。而作為最直接的被降溫對象，銅或者其他金屬的核自旋可以被降到0.1nK的數(shù)量級。如果我們把被降溫對象的數(shù)量減少到可計數(shù)的部分原子，而不再考慮宏觀體系的話，那么冷原子技術(shù)甚至可以獲得10pK數(shù)量級的溫度。從這里開始，我們需要區(qū)分降溫和制冷的差異，如果這些被降溫的對象可以使宏觀物體也降溫，那么我們稱之為制冷。

過去百年間的降溫進程可以被稱為對數(shù)降溫時代(圖1)[15，16]。在圖1中，筆者將溫區(qū)分為天然溫區(qū)、氦溫區(qū)、銅溫區(qū)，以及無法提供制冷能力的僅降溫溫區(qū)。目前，大部分的新物理探索正在天然溫區(qū)和氦溫區(qū)開展，這是如今的前沿科研最重要的溫區(qū)；目前，大部分的研究對象還沒有在銅溫區(qū)被系統(tǒng)探索；目前，只有極個別的孤立核系統(tǒng)和少量原子可以在低于1μK的溫度下進行研究，該溫區(qū)暫時還不能成為科學探索的普適低溫環(huán)境。圖1中的三條實心圖標連線代表了歷史上三條降溫技術(shù)路線的發(fā)展脈絡：磁制冷、稀釋制冷，以及不依賴液氦供應的干式制冷。

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