北京大学搭建出国际最低温度的无液氦消耗制冷机

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温度是最基本的物理量之一，越低的温度越便于发现和观察细致丰富的量子力学现象。在低温物理的发展过程中，超导、超流、整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应等重要现象都是在低温环境下被意外发现的，并且许多有关量子力学的实验问题只能在低温条件下进行研究。制冷机，就是实现低温环境、开展量子物态研究的关键仪器设备。
      从100多年前基于液体4He（氦的主要同位素）蒸发的制冷机开始，人们逐步在实验室中突破了大自然直接提供的温度下限——2.7K宇宙背景辐射。更低温度的制冷机逐渐在液体4He制冷机的基础上被研发出来，它们由液体4He提供前级制冷和前级低温环境保护。例如，稀释制冷机原本就是基于液体4He制冷机搭建的，它需要4K左右的低温环境保护，能实现约10mK的温度，现在是量子计算研究中常用的工具。核绝热去磁技术是目前能实现最低环境温度的制冷手段，它通常由稀释制冷机提供前级制冷，能够实现比稀释制冷机更低的温度。
       随着低温技术的发展，取代液体4He的干式制冷技术逐渐成熟，制冷无液氦消耗化成为仪器研发的主流趋势。液氦作为一种战略资源，在国际上供应紧张。常规制冷机消耗液氦，就像交通工具消耗燃油，无液氦消耗的制冷技术，就是让制冷机只靠充电就能运转，而不再依靠稀缺的“燃油”——液氦。核绝热去磁制冷机是最后一个需要实现无液氦消耗化的制冷技术，这个技术的实现，将让量子力学的低温研究不再依赖于液氦的供应。

设备结构设计与主体设备外观照片

核绝热去磁中温度与退磁磁场的关系图

        2011年北京大学量子材料科学中心计划实现无液氦消耗的核绝热去磁制冷技术，当时世界上无先例可以参考。经过近十年的技术攻关，量子材料科学中心的林熙副教授和博士生闫姣婕等人在杜瑞瑞教授主持的国家重大科研仪器研制项目“拓扑量子计算超低温实验仪器研制”的支持下，成功搭建了能获得0.090mK极低温环境的无液氦消耗核绝热去磁制冷机。目前报道中，其他三套同类型的干式核绝热去磁设备分别为英国的0.6mK、芬兰的0.16mK和瑞士的0.15mK无液氦消耗制冷机。
       极低温设备的研发，其指标的先进性主要体现于能获得低温的极限。低温设备因为被操作者所处的室温环境环绕，最低温度不仅仅取决于制冷手段，还受制于环境漏热。一个好的极低温环境，需要综合考虑每一个细节对漏热的影响，最差的环节决定了设备的极限性能。因此，极低温设备的研制很难分别设计各个部件，然后进行最终组装，需要设计者从一开始就进行整体考虑，并且需要非常苛刻地留意所有的装配流程和操作细节。在所有无液氦消耗制冷机中，目前全世界有四套核绝热去磁机以及大量的其他制冷机，北京大学的设备能达到的温度最低。


       文章来源：北京大学
        杜瑞瑞，男，北京大学物理学院量子材料科学中心教授。