萱草|低温下有什么神奇的物理现象( 三 )
4He相图 ， 由于相图曲线与λ相似 ， 也被称为λ相图 。
继续降低温度 ， 我们基本已经来到了1K附近的温区 ， 单纯的通过压缩4He再降低液氦蒸汽压的方法已经很难再使温度继续下降 。 科学家利用相同的方法对氦的同位素3He进行液浴减压可以到0.3K 。 实际上 。 3He和4He的混合液在0.87K以上温度时可以以任意比例互溶 ， 在0.87K以下时发生相分离 ， 即分成含3He较多的浓相和含3He较少的稀相两部分 ， 两者间构成一界面 ， 浓相浮于稀相之上 。 当3He原子从浓相通过界面进入稀相时 ， 由于4He的超流特性 ， 3He在超流态4He中不受任何阻力 ， 好似在真空中一般 ， 这个过程类似于普通液体通过液面蒸发成气体 ， 要吸热致冷 ， 这就是稀释制冷的原理 。 稀释制冷机就是利用这一原理 ， 再通过压缩机将稀相的3He-4He蒸馏分离出4He,再将3He通过循环系统重新回到浓相,利用稀释制冷技术 ， 我们可以到达1.5mK的温度 。 现如今 ， 稀释制冷机已经成为凝聚态实验物理学家研究的利器 。
3He相图与稀释制冷原理
稀释制冷机内部结构 ， 看似简单的结构内部极为精密
如果继续向绝对零度进发 ， 目前已经能够在稀释制冷的基础上通过加压使3He发生液－固相变时的吸热效应（坡密朗丘克致冷 ， 液态3He的熵比固态3He的熵要小） ， 可以达到1mK 。 利用核绝热去磁使核磁矩由自旋极化变成混乱取向使熵增加的吸热效应可以将核自旋温度降低到50nK量级 ， 但是晶格温度仍为mK量级 。
至此 ， 我们已经达到了目前几乎人类能够达到的低温极限 ， 但是依然无法达到绝对零度 ， 从量子力学的角度来看 ， 量子涨落是永恒的 ， 粒子不可能静止不动 ， 既然存在量子涨落 ， 光仍然会产生、湮灭 。
那么 ， 既然绝对零度无法达到 ， 我们不断追求的接近绝对零度又有什么意义呢？回过头来看一看我们从0℃走到接近绝对零度的过程 ， 可以清楚的看到：随着温度的降低 ， 不同的凝聚现象逐渐发生 。 用物理语言描述 ， 这正是不同的对称性逐渐发生破缺的结果 。 我们知道 ， 由于多体相互作用以及热激发使得许多量子效应无法在宏观世界观测到 ， 但是 ， 随着温度的逐渐降低 ， 那些被热激发掩盖的量子现象、凝聚现象就会一点点展现出来 。 例如 ， 随着空气的逐渐冷却 ， 其中的水开始凝结成冰 ， 继续冷却 ， 其中的二氧化碳、氧气、氮气、氢气乃至氦气都会凝结 ， 当进入1K以下的极低温 ， 还会看到许多奇妙的量子现象 。 如果温度进一步降低 ， 还会有哪些凝聚现象发生？这些新的凝聚现象又会引发什么样的量子效应 ， 能否为我们带来好处？这是科学家们思考的永恒主题 ， 也是低温技术发展的永恒动力 。
【萱草|低温下有什么神奇的物理现象】
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