世界上最冷的冰箱,温度低到使材料出现奇异

人类可以很容易地感知到冷热之间的差异，温度是科学的一个特征，人们可以相当直观地掌握。但是人们在区分热和冷时实际经历的是系统所包含的热能量，例如，冰淇淋甜筒比一碗热汤含有的热能，而且因为这种能量来自物质内原子和分子的运动，这意味着汤分子的运动比冰淇淋中的更多。

剑桥大学的团队试图在接近绝对零度（热力学定律所允许的最冷温度）的极端的条件下监测能量。绝对零，技术上称为零开尔文，等于-.15摄氏度，或-.67华氏度，系统达到其最低可能的能量或热运动。

但是有一个问题：无法达到绝对零度。原因与从物质中去除热量所需的工作量有关。要达到零凯尔文，你需要无限量的工作。即使你能够到达那里，量子力学也要求原子和分子仍然具有一些不可约束的运动。

量子力学也意味着这些研究人员越接近绝对零度，一个物质的属性变得更奇怪。在足够低的温度下，液态氦会变成超流体，一种没有摩擦阻力的液体。它可以自发地向上流出容器，渗透分子薄裂缝，在高速旋转时保持完美静止。最令人惊讶的是合并成一个“超原子”，被称为玻色爱因斯坦凝聚物。

绝对零度的旅程始于18世纪初，当时GuillaumeAmontons认为，如果温度是系统中的热量，那么必须有尽可能低的温度。然而直到两个世纪之后，Amontons的理论才在实验中找到自己的位置。在莱顿大学，HeikeKamerlinghOnnes和他的同事们与世界各地的其他人竞争开发液化氦气的技术。经过多次尝试失败后，他们取得了成功，荷兰国家科学和医学史博物馆Boerhaave博物馆馆长DirkvanDelft表示，“莱顿曾短暂成为地球上最寒冷的地方。”

Onnes的成功归功于最早形式的高功率制冷之一。与日常冰箱一样，Onnes实验室和现在全世界实验室的冷却系统都在一个循环中工作。冷却过程本身类似于当你用热杯咖啡冷却它时所发生的情况。然而，与使用冰箱内部蒸汽的日常冰箱不同，Onnes使用气体状态的氦气和液态氢气和氧气来实现低温。

通过将气态氦循环通过一个浸泡在冷液体氢和空气中的腔室，Onnes的团队成功地达到了一个小茶杯的氦气可以液化的温度。在这样做时，来自气态的多余热量消散并且系统仅达到六个温度

这项研究在年获诺贝尔奖，还意外地发现了超导性，一种物质在没有阻力的情况下携带电流的能力。这种特性使得当今的MRI探测器和巨型粒子加速器中使用的强大的超导磁体成为可能。

当今世界上最好的制冷系统是基于Onnes院士工作，但现在它们可以使用两种不同的氦同位素达到几毫克。与大多数在某些温度点冻结并变成固体的液体不同，氦气一直保持液态，一直到绝对零度。因为它的原子在这些温度下是如此轻，所以氦被弱地吸引到其他氦原子上，使得它们被锁定在持续的微动中，称为零点运动，这是由海森堡不确定性原理定义的量子力学效应。

在基本上是闭环的环境中运行，氦气几乎与杯子中的无序咖啡分子完全相同，并在循环时将多余的热量散发到环境中。当氦-3同位素由于冰箱装置引起的吸引力和压力差而向氦-4同位素迁移时，它吸收热量并将整个系统冷却至毫克级。

剑桥实验室使用这种冰箱来研究不同类型的材料特性。铁由于铁的磁性，通常会破坏材料中的任何超导特性，而不管温度如何。超导在科学，医学和计算领域有很多应用，每个新的超导体都可以帮助培养新技术。由于该实验室的工作，YFe2Ge2现在被认为是研究具有类似铁结构的化合物的超导性的参考材料。

不幸的是，量子态“本质上是脆弱的”，并且在某些材料中自然产生的大部分有趣特性“在较高温度下会被振动所淹没。”QuantumMatter集团在大约1到10毫克的范围内工作。可以在这些温度下进行几个月的测量。但该集团目前正在开发另一种更高效的冰箱，可以长时间维持这些低温。

使用这种新型冰箱，该团队将在低温下持续观察其他铁基材料，并继续使用称为拓扑半金属的材料，如ZrSiS。拓半导体金属的低温磁性行为在很大程度上是个谜，因为它们的性质主要是它们的拓扑结构（或其部分的排列），而不是它们的组成元素。一旦新冰箱启动并运行，剑桥团队就准备发掘他们的谜团。

奇怪的物理特性在低温的极端情况下茁壮成长，这些奇异特质的含义似乎无穷无尽。过冷技术，例如用于稀释制冷的技术，对于广泛的学科至关重要：引力波研究，超导，自旋电子学，量子计算和其他新兴技术。缓解高温应变，绝对零度下的工作对于理解和揭示量子力学和物理学中的许多未知因素至关重要。

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