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“冰冷的极致”,刚刷新到-273.1391℃

文章来源:好站长外链

作者:互联网

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2021-07-19

这样一台看似简陋的机器就能实现无限接近“绝对零度”的温度 图/中科院物理所

□浩源

长期以来,科学家们一直在挑战达到一种“冰冷的极致”,那是一个理想的、几乎无法达到的最低温度,又被称为“绝对零度”。从热力学上来描述,它大致为零下273.15℃(摄氏度)或零下459.67℉(华氏度)。

中国科学院物理所早在上世纪70年代末就研制成功我国第一台湿式稀释制冷机,实现了零下273.116℃,即绝对零度以上0.034℃的极低温。而今年6月24日晚,该所自主研发的无液氦稀释制冷机原型机,又成功实现了一次新突破,达到了零下273.1391℃,即绝对零度以上0.0109℃。

“冰冷的极致”再次刷新了纪录。

什么是“绝对零度”?

它是热力学的最低温度,热力学温标的单位是K(开尔文),绝对零度就是0K,约为零下273.15℃或零下459.67℉。

物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候,就意味着它的原子在快速运动:当我们感到一个物体比较冷的时候,则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的,而物理学家则是以绝对温标(或称开尔文温)标来测量温度的。

科学家通常认为,温度达到绝对零度时,构成物质的所有分子和原子均会停止运动。在此温度下,物体分子没有动能,但仍然存在势能,此时内能为最小值。然而,绝对零度几乎是无法达到的,只是理论上的下限值。

科学家在对绝对零度的研究中,发现了一些奇妙的现象。如氦本是气体(氦是自然界中最难液化的物质),在零下268.9℃时会变为超液态;当温度持续降低时,原本装在瓶子里的液体,能轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中,溢到了瓶外,继而出现喷泉现象,液体的粘滞性也消失了。

科学家们在相关研究中,发现关于绝对零度的研究,还可能为发现新的物质——暗物质提供新思路。

为量子计算实验提供有力支撑

中国科学院物理所早在上世纪70年代末就研制成功我国第一台湿式稀释制冷机,实现了零下273.116℃,即绝对零度以上0.034℃的极低温。他们最近又向媒体透露,该所自主研发的无液氦稀释制冷机又成功突破了之前的纪录,成功实现10mK(绝对零度以上0.01℃)以下的极低温运行。

这标志着我国在高端极低温仪器研制上取得了突破性的进展。

稀释制冷机是一种能够提供接近绝对零度环境的高端科研仪器,在凝聚态物理、材料科学、粒子物理乃至天文探测等科研领域广泛应用。无液氦稀释制冷机是商业上可以买到的温度最低的制冷机,不需要液氦辅助就可以实现仅仅高于绝对零度0.01℃的极低温。它可以为量子计算机芯片提供用于维持量子态必需的极低温环境,是量子计算研究中不可替代的关键设备。

量子计算是当前世界各国科技竞争的“主战场”。我国此类仪器之前完全依赖进口,是亟待攻破的关键核心技术。如今,中国科学院物理所研究人员攻克了低温设备焊接工艺难题,解决了长期困扰的冷漏、超漏等问题,自主研发的无液氦稀释制冷机原型机已成功实现10.9mK(零下273.1391℃,即绝对零度以上0.0109℃)的连续稳定运行,满足超导量子计算需要的条件,基本达到了国际主流产品的水平。这无疑是令人欢欣鼓舞的,意味着我国朝加快科技自立自强的方向迈出了关键的一步,这一技术也将为我国的量子计算实验前沿研究提供有力支撑。

 
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