《低温物理与技术》课件

低温物理与技术探索物质在极低温下的奇妙世界课程概述课程目标掌握低温物理基本理论与技术应用学习内容低温现象、超导体、超流体、制冷技术考核方式什么是低温物理？温度定义研究对象理论基础研究-153°C（120K）以下温度区域物质在极低温下呈现特殊物理性质低温物理学的历史19世纪1908年法拉第成功液化氯气1898年詹姆斯·杜瓦液化氢气低温标准权威定义温度界限分级系统美国国家标准技术研究所（NIST）120K（-153°C）作为低温研究下限深低温、超低温等细分温区设立标准温度单位与换算温标符号基准点换算公式开尔文K绝对零度TK=T°C+

273.15摄氏度°C水冰点T°C=TK-

273.15华氏度°F氯化铵混合物T°F=T°C×

1.8+32绝对零度理论定义实际意义0K（-

273.15°C）热力学第三定律保证无法达到分子运动完全停止的理想状态现代技术可接近但永远不能抵达低温物理研究对象半导体合金量子电子特性低温超导性质磁性材料低温磁序研究塑料与复合材料非晶态物质低温力学性能玻璃态转变量子效应在低温下的显现能量基态系统趋向最低能量状态低激发态量子跃迁能量差异变得显著量子力学效应隧穿效应、零点能等现象明显低温物理学的主要研究方向玻色-爱因斯坦凝聚原子气体在超低温下新态研究量子霍尔效应二维电子系统磁场下量子行为超流动性液体氦零粘度量子现象超导电性零电阻和完全抗磁性超导电性概述1定义特征2发现历史3理论发展零电阻、完全抗磁性（迈斯纳效1911年昂内斯发现汞在

4.2K变为超BCS理论解释超导机理（1957年）应）导体超导体的类型第一类超导体第二类超导体高温超导体纯金属材料合金和化合物铜氧化物系列临界磁场低临界磁场高临界温度高于77K完全迈斯纳效应混合态渗透机理仍有争议超导应用强磁场医疗设备量子计算科研装置、粒子加磁共振成像超导量子比特速器（MRI）磁悬浮列车高速无摩擦交通超流动性概述定义氦-4超流氦-3超流流体的量子凝聚态转变温度约

2.17K转变温度约

0.0025K零粘度流动玻色-爱因斯坦凝聚库珀对形成机制超流体的特性零粘度热超导无摩擦流动极高热传导率爬行效应量子涡旋沿容器壁爬升量子化角动量超流体的应用精密测量低温制冷技术•超敏感陀螺仪•稀释制冷机•引力波探测器•超低温获取量子干涉仪•超高灵敏度磁场测量•量子态研究量子霍尔效应19801982整数量子霍尔效应分数量子霍尔效应冯·克利青发现，获1985年诺贝尔物大内与斯托默发现，获1998年诺贝理学奖尔物理学奖2005量子自旋霍尔效应拓扑绝缘体研究重要突破玻色爱因斯坦凝聚-理论基础实验实现研究前沿玻色子在低温下占据相同量子态1995年科内尔等首次实现量子模拟器爱因斯坦1925年预言2001年诺贝尔物理学奖量子涡旋晶格量子多体纠缠低温技术概述定义范围实现与维持低温环境的技术应用领域科研、医疗、工业、航天发展历程从气体液化到量子信息技术制冷循环原理焦耳-汤姆逊效应绝热膨胀气体绝热节流冷却气体做功降温回热循环磁制冷3热交换提高效率顺磁盐绝热退磁气体液化技术氮气液化沸点77K，工业应用最广泛氢气液化沸点20K，清洁能源储存氦气液化沸点

4.2K，超导磁体冷却空气分离低温精馏提取各组分氦液化系统1系统组成2工作原理压缩机、纯化器、热交换器、节流阀改进克劳德循环，多级预冷与节流3性能指标4技术挑战液化率、制冷功率、能耗比低温密封、绝热设计、高效换热稀释制冷技术原理结构性能应用氦-3溶入氦-4的吸热效应混合室、蒸馏室、热交换器可达2mK以下量子计算基于两种同位素混合焓差多重绝热设计持续制冷能力低温物理实验绝热消磁制冷原理基础1顺磁材料在磁场中的熵变电子绝热消磁2可达10mK量级温度核绝热消磁3可达微K量级极低温低温绝热技术真空绝热消除传导与对流传热多层绝热交替铝箔与隔离层辐射屏蔽低发射率表面减少热辐射低温传感器低温传感器需要特殊校准，标准传感器在极低温下失效低温阀门与管路低温阀门设计低温管路布局材料选择•低温密封材料选择•减少热负荷设计•不锈钢管道•防冻结结构•补偿热收缩•铜管高热导•延长杆减少热传导•多点支撑结构•特殊合金耐低温低温材料金属材料非金属材料复合材料•不锈钢韧性保持•聚四氟乙烯密封•碳纤维轻量高强•铝合金低温强度•玻璃纤维结构支撑•玻璃钢低热传导•铜高导热性•陶瓷绝缘电气连接•特种胶粘剂低温密封技术静态密封动态密封O型圈、金属垫片低温轴封、波纹管解决方案常见问题特种合金、弹性设计热收缩、材料脆化低温安全安全规程防护措施冻伤处理窒息风险操作规范、应急预案特种手套、面罩、围复温技术、医疗救助氧气监测、通风系统裙低温物理实验技术概述1实验目的2实验方法探索低温量子现象、材料特性样品制备、温度控制、测量技研究术3数据分析误差分析、理论模型拟合、结果解释低温实验室建设实验室布局氦气回收安全设施气体供应区、制冷设备区、测试区管路系统、纯化装置、压缩储存氧气监测、通风系统、应急装备低温测量技术数据采集系统高精度多通道磁性测量2SQUID磁强计热容测量绝热量热法温度测量锗电阻、RuO2传感器低温光学测量低温光学窗口材料选择至关重要，需兼顾光学性能与热应力低温核磁共振技术原理设备应用低温提高信噪比超导磁体量子材料研究核自旋极化增强低温探头生物大分子结构温度控制系统低温化学反应低温扫描隧道显微技术

4.2K

0.01nm液氦温度空间分辨率标准工作温度，降低热噪声可分辨单个原子结构

0.1meV能量分辨率探测精细电子能谱低温电子输运测量电阻测量四探针法消除接触电阻霍尔效应测量确定载流子类型和浓度量子输运现象弱局域化、量子干涉超导临界参数测定临界温度、临界场、临界电流低温声学测量低温中子散射技术原理设备应用领域•中子与原子核弹性散射•中子源（反应堆或散裂源）•磁性材料研究•探测晶格振动与磁结构•低温样品环境•超导体微观机理•散射角探测器阵列•量子自旋液体低温射线衍射技术X原理X射线与晶格原子相互作用产生衍射图案低温技术氮气或氦气冷却样品，减少热振动研究对象晶格结构相变、热膨胀系数数据分析衍射峰位随温度变化反映相变过程低温环境下的材料力学性能测试拉伸测试疲劳测试断裂韧性测试测定低温下屈服强度、抗拉强度循环载荷下材料寿命评估低温脆化研究与预防低温流体力学研究超流体动力学量子涡旋研究双流体模型量子化角动量低温流体输运低温液氦对流热声学振荡热对流模式纳米结构在低温下的研究量子点量子线二维材料零维结构一维结构石墨烯离散能级量子化电导过渡金属二硫化物单电子器件朗道尔公式拓扑绝缘体低温量子计算研究量子优势解决传统计算机难以处理问题量子退相干控制2维持量子态的关键挑战超导量子比特3约瑟夫森结量子信息处理低温环境需求毫K温度抑制热噪声低温天文学应用空间望远镜红外探测器需冷却至液氦温度地面观测超导微波接收器阵列暗物质探测低温晶体探测器捕捉微弱信号低温生物学研究冷冻电镜技术低温保存技术极端环境生物学生物大分子高分辨率结构测定细胞组织长期储存耐低温生物适应机制研究低温技术在航天领域的应用火箭发动机液氢液氧推进剂提供高比冲卫星热控系统低温辐射器维持仪器工作温度空间环境模拟低温真空舱测试航天器性能低温技术在医疗领域的应用医疗低温技术涵盖诊断成像、治疗手术与样本保存多个方面低温技术在能源领域的应用超导输电液化天然气零电阻电力传输体积减小600倍2超导储能氢能源4电网稳定性保障液氢储存与运输低温技术在食品工业的应用速冻技术冷链物流低温粉碎液氮快速冷冻全程温控保鲜香料脆性增加维持食品结构与营养液氮制冷车厢保持挥发性成分低温技术在半导体工业的应用低温刻蚀低温薄膜沉积•深硅通孔刻蚀•减少表面扩散•高宽比结构形成•形成非晶态薄膜低温测试•芯片性能验证•热噪声抑制低温物理与技术的前沿研究方向中国低温物理与技术发展历程20世纪50年代1洪朝生率先开展低温研究21975年首台国产氦液化机运行1987年3高温超导研究启动42008年建成国际先进低温实验平台2020年代5量子计算与低温技术融合发展国际低温物理与技术研究现状12$

4.5B顶尖研究中心年度研发投入分布于美国、欧洲、日本等地量子计算领域占比超过40%25+国际合作项目大型低温设施共享与人才交流低温物理与技术教育本科生培养热力学基础、低温实验入门硕士课程低温技术专业课、研究方法训练博士研究前沿课题探索、国际交流合作实验室建设教学科研一体化、开放共享平台低温物理与技术领域的职业发展科研方向1研究院所、高校、国家实验室工程应用2医疗设备、航天技术、能源企业创新创业低温设备研发、量子计算创业公司低温物理与技术的伦理问题环境影响高能耗制冷、稀有气体资源利用能源消耗研究装置耗电量大，需平衡投入产出社会责任技术普惠共享，避免知识鸿沟伦理审查生物低温技术应用需严格监管课程总结核心概念技术应用超导、超流、低温量子效应制冷系统、材料测试、传感器发展趋势应用领域量子技术与低温深度融合医疗、航天、能源、计算3参考文献1专著2期刊《低温物理学》、《超导物理《低温物理》、《超导科学与导论》技术》3在线资源国家低温实验室网站、课程在线平台问答环节课程内容实验安排学习资源深入理解关键概念低温设备操作与安全补充材料与研究前沿。