北京大學搭建出國際最低溫度的無液氦消耗制冷機

2020-09-28 北京大學

溫度是最基本的物理量之一，越低的溫度越便於發現和觀察細緻豐富的量子力學現象。在低溫物理的發展過程中，超導、超流、整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應等重要現象都是在低溫環境下被意外發現的，並且許多有關量子力學的實驗問題只能在低溫條件下進行研究。制冷機，就是實現低溫環境、開展量子物態研究的關鍵儀器設備。

從100多年前基於液體4He（氦的主要同位素）蒸發的制冷機開始，人們逐步在實驗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。更低溫度的制冷機逐漸在液體4He制冷機的基礎上被研發出來，它們由液體4He提供前級製冷和前級低溫環境保護。例如，稀釋制冷機原本就是基於液體4He制冷機搭建的，它需要4K左右的低溫環境保護，能實現約10mK的溫度，現在是量子計算研究中常用的工具。核絕熱去磁技術是目前能實現最低環境溫度的製冷手段，它通常由稀釋制冷機提供前級製冷，能夠實現比稀釋制冷機更低的溫度。

隨著低溫技術的發展，取代液體4He的乾式製冷技術逐漸成熟，製冷無液氦消耗化成為儀器研發的主流趨勢。液氦作為一種戰略資源，在國際上供應緊張。常規制冷機消耗液氦，就像交通工具消耗燃油，無液氦消耗的製冷技術，就是讓制冷機只靠充電就能運轉，而不再依靠稀缺的「燃油」——液氦。核絕熱去磁製冷機是最後一個需要實現無液氦消耗化的製冷技術，這個技術的實現，將讓量子力學的低溫研究不再依賴於液氦的供應。

設備結構設計與主體設備外觀照片

2011年北京大學量子材料科學中心計劃實現無液氦消耗的核絕熱去磁製冷技術，當時世界上無先例可以參考。經過近十年的技術攻關，量子材料科學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家重大科研儀器研製項目「拓撲量子計算超低溫實驗儀器研製」的支持下，成功搭建了能獲得0.090mK極低溫環境的無液氦消耗核絕熱去磁製冷機。目前報導中，其他三套同類型的乾式核絕熱去磁設備分別為英國的0.6mK、芬蘭的0.16mK和瑞士的0.15mK無液氦消耗制冷機。

極低溫設備的研發，其指標的先進性主要體現於能獲得低溫的極限。低溫設備因為被操作者所處的室溫環境環繞，最低溫度不僅僅取決於製冷手段，還受制於環境漏熱。一個好的極低溫環境，需要綜合考慮每一個細節對漏熱的影響，最差的環節決定了設備的極限性能。因此，極低溫設備的研製很難分別設計各個部件，然後進行最終組裝，需要設計者從一開始就進行整體考慮，並且需要非常苛刻地留意所有的裝配流程和操作細節。在所有無液氦消耗制冷機中，目前全世界有四套核絕熱去磁機以及大量的其他制冷機，北京大學的設備能達到的溫度最低。

核絕熱去磁中溫度與退磁磁場的關係圖

信息來源 北京大學融媒體中心

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