北京大學搭建出國際最低溫度的無液氦消耗制冷機

　　【中國制冷網(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)和觀察細致豐富的量子力學現(xiàn)象。在低溫物理的發(fā)展過程中，超導、超流、整數(shù)量子霍爾效應和分數(shù)量子霍爾效應等重要現(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(xiàn)低溫環(huán)境、開展量子物態(tài)研究的關鍵儀器設備。

　　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(fā)出來，它們由液體4He提供前級制冷和前級低溫環(huán)境保護。例如，稀釋制冷機原本就是基于液體4He制冷機搭建的，它需要4K左右的低溫環(huán)境保護，能實現(xiàn)約10mK的溫度，現(xiàn)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(xiàn)最低環(huán)境溫度的制冷手段，它通常由稀釋制冷機提供前級制冷，能夠實現(xiàn)比稀釋制冷機更低的溫度。

　　隨著低溫技術的發(fā)展，取代液體4He的干式制冷技術逐漸成熟，制冷無液氦消耗化成為儀器研發(fā)的主流趨勢。液氦作為一種戰(zhàn)略資源，在國際上供應緊張。常規(guī)制冷機消耗液氦，就像交通工具消耗燃油，無液氦消耗的制冷技術，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。核絕熱去磁制冷機是最后一個需要實現(xiàn)無液氦消耗化的制冷技術，這個技術的實現(xiàn)，將讓量子力學的低溫研究不再依賴于液氦的供應。

　　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(xiàn)無液氦消耗的核絕熱去磁制冷技術，當時世界上無先例可以參考。經(jīng)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制項目“拓撲量子計算超低溫實驗儀器研制”的支持下，成功搭建了能獲得0.090mK極低溫環(huán)境的無液氦消耗核絕熱去磁制冷機。目前報道中，其他三套同類型的干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(fā)，其指標的先進性主要體現(xiàn)于能獲得低溫的極限。低溫設備因為被操作者所處的室溫環(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。一個好的極低溫環(huán)境，需要綜合考慮每一個細節(jié)對漏熱的影響，最差的環(huán)節(jié)決定了設備的極限性能。因此，極低溫設備的研制很難分別設計各個部件，然后進行最終組裝，需要設計者從一開始就進行整體考慮，并且需要非常苛刻地留意所有的裝配流程和操作細節(jié)。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系圖