【中國(guó)制冷網(wǎng)】溫度是最基本的物理量之一，越低的溫度越便于發(fā)現(xiàn)和觀察細(xì)致豐富的量子力學(xué)現(xiàn)象。在低溫物理的發(fā)展過(guò)程中，超導(dǎo)、超流、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等重要現(xiàn)象都是在低溫環(huán)境下被意外發(fā)現(xiàn)的，并且許多有關(guān)量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題只能在低溫條件下進(jìn)行研究。制冷機(jī)，就是實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境、開(kāi)展量子物態(tài)研究的關(guān)鍵儀器設(shè)備。

　　從100多年前基于液體4He（氦的主要同位素）蒸發(fā)的制冷機(jī)開(kāi)始，人們逐步在實(shí)驗(yàn)室中突破了大自然直接提供的溫度下限——2.7K宇宙背景輻射。更低溫度的制冷機(jī)逐漸在液體4He制冷機(jī)的基礎(chǔ)上被研發(fā)出來(lái)，它們由液體4He提供前級(jí)制冷和前級(jí)低溫環(huán)境保護(hù)。例如，稀釋制冷機(jī)原本就是基于液體4He制冷機(jī)搭建的，它需要4K左右的低溫環(huán)境保護(hù)，能實(shí)現(xiàn)約10mK的溫度，現(xiàn)在是量子計(jì)算研究中常用的工具。核絕熱去磁技術(shù)是目前能實(shí)現(xiàn)最低環(huán)境溫度的制冷手段，它通常由稀釋制冷機(jī)提供前級(jí)制冷，能夠?qū)崿F(xiàn)比稀釋制冷機(jī)更低的溫度。

　　隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，取代液體4He的干式制冷技術(shù)逐漸成熟，制冷無(wú)液氦消耗化成為儀器研發(fā)的主流趨勢(shì)。液氦作為一種戰(zhàn)略資源，在國(guó)際上供應(yīng)緊張。常規(guī)制冷機(jī)消耗液氦，就像交通工具消耗燃油，無(wú)液氦消耗的制冷技術(shù)，就是讓制冷機(jī)只靠充電就能運(yùn)轉(zhuǎn)，而不再依靠稀缺的“燃油”——液氦。核絕熱去磁制冷機(jī)是最后一個(gè)需要實(shí)現(xiàn)無(wú)液氦消耗化的制冷技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，將讓量子力學(xué)的低溫研究不再依賴于液氦的供應(yīng)。

　　設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主體設(shè)備外觀照片

　　2011年北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心計(jì)劃實(shí)現(xiàn)無(wú)液氦消耗的核絕熱去磁制冷技術(shù)，當(dāng)時(shí)世界上無(wú)先例可以參考。經(jīng)過(guò)近十年的技術(shù)攻關(guān)，量子材料科學(xué)中心的林熙副教授和博士生閆姣婕等人在杜瑞瑞教授主持的國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“拓?fù)淞孔佑?jì)算超低溫實(shí)驗(yàn)儀器研制”的支持下，成功搭建了能獲得0.090mK極低溫環(huán)境的無(wú)液氦消耗核絕熱去磁制冷機(jī)。目前報(bào)道中，其他三套同類型的干式核絕熱去磁設(shè)備分別為英國(guó)的0.6mK、芬蘭的0.16mK和瑞士的0.15mK無(wú)液氦消耗制冷機(jī)。

　　極低溫設(shè)備的研發(fā)，其指標(biāo)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)于能獲得低溫的極限。低溫設(shè)備因?yàn)楸徊僮髡咚幍氖覝丨h(huán)境環(huán)繞，最低溫度不僅僅取決于制冷手段，還受制于環(huán)境漏熱。一個(gè)好的極低溫環(huán)境，需要綜合考慮每一個(gè)細(xì)節(jié)對(duì)漏熱的影響，最差的環(huán)節(jié)決定了設(shè)備的極限性能。因此，極低溫設(shè)備的研制很難分別設(shè)計(jì)各個(gè)部件，然后進(jìn)行最終組裝，需要設(shè)計(jì)者從一開(kāi)始就進(jìn)行整體考慮，并且需要非常苛刻地留意所有的裝配流程和操作細(xì)節(jié)。在所有無(wú)液氦消耗制冷機(jī)中，目前全世界有四套核絕熱去磁機(jī)以及大量的其他制冷機(jī)，北京大學(xué)的設(shè)備能達(dá)到的溫度最低。

　　核絕熱去磁中溫度與退磁磁場(chǎng)的關(guān)系圖