第一章低溫物理的探索歷程第二章熱力學(xué)在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用第三章低溫材料與量子物性第四章低溫環(huán)境下的宏觀現(xiàn)象第五章低溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法論第六章低溫物理的未來(lái)展望01第一章低溫物理的探索歷程低溫世界的發(fā)現(xiàn)之旅低溫物理的探索歷程始于19世紀(jì)初，威廉·湯姆森（開(kāi)爾文勛爵）在1823年首次提出了絕對(duì)零度的概念，這一理論奠定了低溫物理學(xué)的基礎(chǔ)。隨后的一個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們不斷突破低溫技術(shù)的極限。1908年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯成功液化氦氣，達(dá)到了約4K的溫度，這一成就為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1911年，昂內(nèi)斯在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)汞在4.2K以下呈現(xiàn)零電阻現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被命名為超導(dǎo)現(xiàn)象，開(kāi)創(chuàng)了超導(dǎo)研究的先河。超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅推動(dòng)了低溫物理學(xué)的發(fā)展，還為后來(lái)的量子計(jì)算、磁懸浮列車(chē)等高科技領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。低溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破1986年貝德諾爾茨和米勒發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體銅氧化物材料在液氮溫度以上呈現(xiàn)超導(dǎo)性1995年原子冷卻技術(shù)的發(fā)明激光冷卻和蒸發(fā)冷卻使原子達(dá)到微開(kāi)爾文溫度2013年費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)1.4K的極低溫環(huán)境下質(zhì)子加速刷新人類(lèi)對(duì)極端物理?xiàng)l件的研究記錄2020年谷歌量子實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)1ms相干時(shí)間的超導(dǎo)量子比特為量子計(jì)算提供重要支持低溫物理的關(guān)鍵現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象零電阻和完全抗磁性，如IBM1973年演示的磁懸浮超導(dǎo)陀螺儀超流現(xiàn)象液氦在低溫下無(wú)粘性流動(dòng)，如1962年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的噴泉效應(yīng)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚大量原子在極低溫下進(jìn)入同一量子態(tài)，如2001年JILA實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的堿金屬原子BEC實(shí)驗(yàn)量子霍爾效應(yīng)如1980年霍爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)低溫技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景醫(yī)學(xué)領(lǐng)域材料科學(xué)量子計(jì)算液氮冷凍治療腫瘤：如1985年首次用液氮冷凍切除前列腺腫瘤。低溫保存生物樣本：如胚胎冷凍技術(shù)，可將胚胎在液氮中保存數(shù)十年。低溫顯微鏡：如電子顯微鏡可在低溫下觀察生物樣本，提高分辨率。低溫淬火技術(shù)：如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通過(guò)液氦冷卻提升耐熱性。超導(dǎo)材料：如高溫超導(dǎo)線(xiàn)材用于制造強(qiáng)磁場(chǎng)，如核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。低溫合金：如鈦合金在低溫下具有更高的強(qiáng)度和韌性，用于航空航天領(lǐng)域。超導(dǎo)量子比特：如谷歌量子實(shí)驗(yàn)室在4K液氦環(huán)境下實(shí)現(xiàn)1ms相干時(shí)間的超導(dǎo)量子比特。離子阱量子計(jì)算：如IBM量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室在1K低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)離子阱量子計(jì)算。量子退相干研究：低溫環(huán)境有助于減少量子退相干，提高量子計(jì)算的穩(wěn)定性。02第二章熱力學(xué)在低溫領(lǐng)域的應(yīng)用熱力學(xué)定律的低溫修正克勞修斯定律在極低溫下失效，需引入量子統(tǒng)計(jì)修正。例如，黑體輻射在普朗克溫度（1.4×10^32K）以上需重新定義。熱力學(xué)第三定律修正為無(wú)法達(dá)到絕對(duì)零度，每降低1K需要消耗更多能量。1979年實(shí)驗(yàn)證明降溫1mK需消耗10^11焦耳能量。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)低溫物理學(xué)的發(fā)展具有重要意義，表明在極低溫下熱力學(xué)定律需要新的修正。低溫下的相變機(jī)制二級(jí)相變?nèi)绯瑢?dǎo)體從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的相變曲線(xiàn)，不同磁場(chǎng)下的臨界溫度Tc變化量子相變?cè)诔黧w中觀測(cè)到量子漲落主導(dǎo)的相變，如2008年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)液氦中的量子渦旋相變相變溫度與壓力的關(guān)系如液氦的相變溫度隨壓力變化，如1930年皮帕德實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同壓力下液氦的相變溫度相變過(guò)程中的熱力學(xué)量如相變過(guò)程中的熵變和焓變，如1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)相變時(shí)的零電阻現(xiàn)象熱力學(xué)與低溫實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)卡文迪許實(shí)驗(yàn)用扭秤測(cè)量地球質(zhì)量，首次驗(yàn)證熱力學(xué)第二定律在低溫條件下的適用性湯姆孫效應(yīng)如1911年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證湯姆孫效應(yīng)在低溫下的適用性焦耳-湯姆孫效應(yīng)氣體通過(guò)節(jié)流閥時(shí)溫度變化，如液化空氣工廠利用此效應(yīng)將氮?dú)饨禍刂?7K卡諾循環(huán)低溫環(huán)境下的卡諾效率可達(dá)100%，如核聚變實(shí)驗(yàn)裝置需將反應(yīng)堆冷卻至1K以下低溫?zé)釞C(jī)的極限性能斯特林制冷機(jī)逆向卡諾循環(huán)脈管制冷機(jī)斯特林制冷機(jī)的工作原理：通過(guò)氣體在壓縮和膨脹過(guò)程中的溫度變化實(shí)現(xiàn)制冷。斯特林制冷機(jī)的應(yīng)用：如航天器熱控系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，如詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）使用4K斯特林制冷機(jī)冷卻紅外探測(cè)器。斯特林制冷機(jī)的性能：斯特林制冷機(jī)在極低溫環(huán)境下具有較高的制冷效率，可達(dá)50%-70%。逆向卡諾循環(huán)的工作原理：通過(guò)外界做功使熱量從低溫物體流向高溫物體。逆向卡諾循環(huán)的應(yīng)用：如冰箱和空調(diào)中的制冷系統(tǒng)。逆向卡諾循環(huán)的性能：逆向卡諾循環(huán)在極低溫環(huán)境下具有較高的制冷效率，可達(dá)80%-90%。脈管制冷機(jī)的工作原理：通過(guò)氣體在脈沖管中的周期性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)制冷。脈管制冷機(jī)的應(yīng)用：如小型制冷機(jī)和微型制冷機(jī)。脈管制冷機(jī)的性能：脈管制冷機(jī)在極低溫環(huán)境下具有較高的制冷效率，可達(dá)60%-80%。03第三章低溫材料與量子物性超導(dǎo)材料的量子特性超導(dǎo)材料的量子特性是低溫物理學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。超導(dǎo)現(xiàn)象的解釋最早由約翰·巴丁、利昂·庫(kù)珀和約翰·施里弗在1957年提出的BCS理論，該理論解釋了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的電子配對(duì)機(jī)制。在BCS理論中，兩個(gè)電子通過(guò)交換聲子形成束縛態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)零電阻。然而，對(duì)于銅氧化物高溫超導(dǎo)體，BCS理論無(wú)法解釋其超導(dǎo)性。1986年，貝德諾爾茨和米勒發(fā)現(xiàn)銅氧化物材料在液氮溫度以上（如HgBa?Cu?O?在135K）呈現(xiàn)超導(dǎo)性，這一發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)物理學(xué)開(kāi)辟了新的方向。低溫材料的熱物理特性熱導(dǎo)率金剛石在4K時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)2000W/(m·K)，遠(yuǎn)超室溫下的銀（400W/(m·K)）熱膨脹系數(shù)鍺在2K時(shí)的熱膨脹系數(shù)為室溫的1/10，用于精密光學(xué)儀器熱容氦氣在極低溫下的熱容遠(yuǎn)高于室溫，如1K時(shí)氦氣的熱容為室溫的10倍熱穩(wěn)定性低溫材料在極低溫下具有較高的熱穩(wěn)定性，如碳納米管在1K以下仍保持機(jī)械強(qiáng)度新型低溫材料的探索拓?fù)浣^緣體如2018年實(shí)驗(yàn)在1.5K下發(fā)現(xiàn)鐵磁性拓?fù)浣^緣體，可能用于自旋電子學(xué)高溫超導(dǎo)體如2021年實(shí)驗(yàn)在液氦溫度下實(shí)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體的量子點(diǎn)器件二維材料如石墨烯在1K下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，為量子計(jì)算提供平臺(tái)碳納米管如碳納米管在1K以下仍保持機(jī)械強(qiáng)度，用于制造超導(dǎo)電纜低溫材料的量子物性量子霍爾效應(yīng)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚超流現(xiàn)象量子霍爾效應(yīng)是一種量子現(xiàn)象，當(dāng)二維電子氣在強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫下呈現(xiàn)霍爾電阻為量子化常數(shù)的特性。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：如1980年霍爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用：如量子計(jì)算和量子通信。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是一種量子現(xiàn)象，大量原子在極低溫下進(jìn)入同一量子態(tài)。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的發(fā)現(xiàn)：如2001年JILA實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的堿金屬原子BEC實(shí)驗(yàn)。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的應(yīng)用：如量子計(jì)算和量子模擬。超流現(xiàn)象是一種量子現(xiàn)象，液氦在低溫下無(wú)粘性流動(dòng)。超流現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：如1962年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的噴泉效應(yīng)。超流現(xiàn)象的應(yīng)用：如超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。04第四章低溫環(huán)境下的宏觀現(xiàn)象液氦的奇異行為液氦在低溫下表現(xiàn)出許多奇異的行為，這些行為對(duì)低溫物理學(xué)的發(fā)展具有重要意義。液氦在2.17K以下會(huì)呈現(xiàn)超流現(xiàn)象，這一現(xiàn)象最早由皮帕德在1908年實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到。超流液氦在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)形成量子渦旋，這些量子渦旋的間距與溫度平方根成反比。此外，液氦在極低溫下還會(huì)出現(xiàn)兩相共存現(xiàn)象，即液氦-4（He-4）和液氦-3（He-3）在2.17K以下形成液-固-氣三相系統(tǒng)。低溫下的流體動(dòng)力學(xué)超流層液氦在極低溫下出現(xiàn)無(wú)粘性流動(dòng)層，厚度約100nm，如1962年實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的噴泉效應(yīng)量子渦旋液氦旋轉(zhuǎn)時(shí)形成量子渦旋，如2008年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)液氦中的量子渦旋相變毛細(xì)管現(xiàn)象液氦沿毛細(xì)管爬升現(xiàn)象，如1938年實(shí)驗(yàn)測(cè)量爬升高度與溫度關(guān)系熱對(duì)流液氦在極低溫下出現(xiàn)熱對(duì)流現(xiàn)象，如1956年實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到液氦的熱對(duì)流低溫環(huán)境工程應(yīng)用核反應(yīng)堆冷卻快堆使用重水（D?O）冷卻，如法國(guó)RAPSODIE快堆實(shí)驗(yàn)太空探測(cè)器如詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）使用4K斯特林制冷機(jī)冷卻紅外探測(cè)器超導(dǎo)磁體如國(guó)際直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)（LHC）使用液氦冷卻，如2012年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證LHC超導(dǎo)磁體性能低溫液體如液氦和液氮在航天和工業(yè)中的應(yīng)用低溫環(huán)境下的聲學(xué)現(xiàn)象聲速變化聲速在低溫下隨溫度降低而增加，如4K時(shí)聲速達(dá)1500m/s，用于聲學(xué)成像技術(shù)聲子晶體聲子晶體在低溫下可完全反射聲波，如2005年實(shí)驗(yàn)在1.5K下實(shí)現(xiàn)100%聲波反射聲學(xué)超流聲波在極低溫下呈現(xiàn)超流現(xiàn)象，如2008年實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到聲學(xué)超流現(xiàn)象聲學(xué)共振低溫環(huán)境下的聲學(xué)共振頻率隨溫度變化，如2010年實(shí)驗(yàn)測(cè)量低溫環(huán)境下的聲學(xué)共振頻率05第五章低溫實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法論低溫制冷技術(shù)低溫制冷技術(shù)是低溫物理學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。最早的低溫制冷技術(shù)是杜瓦瓶，這是一種絕熱真空瓶，由詹姆斯·杜瓦在1862年發(fā)明。杜瓦瓶通過(guò)減少熱量傳遞，使內(nèi)部物質(zhì)保持低溫。杜瓦瓶在低溫物理學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用，如用于保存液氮和液氦。低溫測(cè)量方法SQUID（超導(dǎo)量子干涉儀）磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度達(dá)10?12T，如1995年用SQUID測(cè)量人體腦磁圖（MEG）稀釋探測(cè)器測(cè)量黑體輻射能量，如2008年實(shí)驗(yàn)在0.3K下探測(cè)到普朗克溫度附近的輻射原子干涉儀測(cè)量原子在極低溫下的干涉現(xiàn)象，如2000年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原子干涉儀在低溫下的性能熱偶計(jì)測(cè)量溫度變化，如1950年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證熱偶計(jì)在低溫下的適用性低溫樣品制備玻璃固化將液氦快速冷卻至固態(tài)，如1992年實(shí)驗(yàn)通過(guò)玻璃固化制備He-3/He-4混合物原子束技術(shù)激光冷卻原子形成束流，如2001年實(shí)驗(yàn)制備冷原子束用于分子束外延（MBE）真空蒸發(fā)在極低溫下通過(guò)真空蒸發(fā)制備薄膜材料，如2003年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證真空蒸發(fā)在低溫下的性能等離子體蒸發(fā)在極低溫下通過(guò)等離子體蒸發(fā)制備薄膜材料，如2005年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等離子體蒸發(fā)在低溫下的性能低溫實(shí)驗(yàn)安全規(guī)范氦泄漏檢測(cè)氦氣在室溫下膨脹會(huì)觸發(fā)火災(zāi)，如NASA使用紅外傳感器監(jiān)測(cè)空間站氦泄漏低溫機(jī)械應(yīng)力材料在低溫下收縮產(chǎn)生應(yīng)力，如2015年實(shí)驗(yàn)測(cè)量不銹鋼在4K時(shí)的收縮率達(dá)1.5%低溫化學(xué)品如液氮和液氦的化學(xué)品在低溫下具有腐蝕性，如2007年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證低溫化學(xué)品對(duì)金屬的腐蝕性低溫輻射低溫環(huán)境下輻射對(duì)人體有害，如2009年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證低溫輻射對(duì)人體的影響06第六章低溫物理的未來(lái)展望量子計(jì)算的熱力學(xué)極限量子計(jì)算的熱力學(xué)極限是低溫物理學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。量子計(jì)算需要極低溫環(huán)境以減少量子退相干，提高量子計(jì)算的穩(wěn)定性。超導(dǎo)量子比特在4K液氦環(huán)境下實(shí)現(xiàn)1ms相干時(shí)間的超導(dǎo)量子比特，為量子計(jì)算提供了重要支持。新型低溫材料的探索拓?fù)浣^緣體如2018年實(shí)驗(yàn)在1.5K下發(fā)現(xiàn)鐵磁性拓?fù)浣^緣體，可能用于自旋電子學(xué)高溫超導(dǎo)體如2021年實(shí)驗(yàn)在液氦溫度下實(shí)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體的量子點(diǎn)器件二維材料如石墨烯在1K下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，為量子計(jì)算提供平臺(tái)碳納米管如碳納米管在1K以下仍保持機(jī)械強(qiáng)度，用于制造超導(dǎo)電纜低溫物理的跨學(xué)科應(yīng)用天體物理觀測(cè)如詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）在1.4K下觀測(cè)宇宙早期星系生物低溫保存如2020年實(shí)驗(yàn)將小鼠器官在1K液氮中保存24小時(shí)仍可復(fù)蘇能源消耗全球超導(dǎo)磁體每年消耗電力相當(dāng)于100個(gè)城市，如國(guó)際直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)（LHC）使用液氦冷卻倫理挑戰(zhàn)如“人體冷凍技術(shù)”的法律爭(zhēng)議低溫研究的社會(huì)影響能源消耗低溫技術(shù)需要消耗大量電力，如超導(dǎo)磁體每年