超低溫技術

獲得接近于零度低溫的技術。C.von林德zui先利用節流膨脹的焦耳湯姆孫效應，制成空氣液化機（空氣中氮的臨界溫度為126.2K，氧的臨界溫度為154.8K）。并于1895年創辦了大型液化空氣工廠，1898年H.卡末林昂內斯以液態空氣預冷氫，利用焦耳湯姆孫效應使氫氣液化（氫的臨界溫度為33.3K）。1908年昂內斯用液氫作預冷使zui難液化的氦液化（氦的臨界溫度為5.3K）。1934年P.卡皮察制成了不需液氫只用液氮預冷的氦液化機。液氦在 1大氣壓的沸點為4.2K，用減壓蒸發法可得0.5K以下的低溫。進一步降低溫度的主要方法有：

順磁鹽絕熱去磁  順磁鹽中磁性離子周圍是非磁性離子和結晶水，磁距間的作用很小，在絕熱去磁的起始溫度（～1K）下各磁矩的取向作無規分布。加外磁場后順磁鹽波磁化，各磁矩作有序排列，熵減小。在絕熱條件下撤去外磁場，磁矩恢復混亂排列，磁矩的熵增加，但絕熱過程總熵不變，故晶格振動的熵減小，表現為溫度下降。絕熱去磁時先將順磁鹽用液氦預冷，加外磁場使之磁化，磁化熱被液氦吸收，然后在絕熱條件下去磁，可產生明顯的致冷效果。絕熱去磁法分別由W.F.吉奧克和P.J.W.德拜于1926年獨立地提出，1933年吉奧克在實驗上獲得成功。絕熱去磁法可得幾mK的低溫，60年代以前一直是獲得這一量級低溫的*方法。此法的缺點是不能連續工作，致冷能力較低。常用順磁鹽有鉻鉀釩（CPA）等。

稀釋致冷機 1956年H.倫敦zui先提出稀釋致冷機的原理，1965年*臺稀釋致冷機誕生，它是利用3He-4He混合液的性質設計的致冷機。3He和4He的混合液在0.87K以上溫度時是*互溶的溶液，在0.87K以下時發生相分離，即分成含3He較多的濃相和含3He較少的稀相兩部分，兩者間構成一界面，濃相浮于稀相之上。當3He原子從濃相通過界面進入稀相時，類似于普通液體通過液面蒸發成氣體，要吸熱致冷。進入稀相的3He原子通過循環系統重新回到濃相。稀釋致冷機結構簡單可靠，致冷能力強，可長時間連續工作，可得穩定的可調節的超低溫，這是傳統的順磁鹽絕熱去磁法所*的，現已獲廣泛應用。用此法得到的zui低溫度為1.5mK。

坡密朗丘克致冷 溫度在0.32K以下時，液態3He的熵比固態3He的熵要小，因而加壓發生液－固相變時要吸熱，從而達到致冷效果。此法由I.Y.坡密朗丘克于1950年提出，1965年實驗成功。此法常在稀釋致冷機的基礎上使用，可達到的極限低溫為1mK。1972年在此低溫附近發現了3He的超流新相（見液態氦）。

核絕熱去磁  原子核的自旋磁矩比電子自旋磁矩要小得多，故原子核磁矩間的相互作用也比電子磁矩間的相互作用弱得多。直到mK溫度范圍，核磁矩仍然是混亂取向，因而可用核絕熱去磁法使核系統降溫。通常以稀釋致冷機預冷，用超導磁體產生強磁場，使核自旋磁化，再絕熱去磁。此法由C.J.戈特和N.庫爾蒂分別于1934年和1935年提出，1956年庫爾蒂成功地使金屬銅的核自旋溫度冷卻到16μK。后來用二級核絕熱去磁使核自旋溫度達到50nK（5×10-8K）的極低溫，*次觀察到銅中核磁矩的自發反鐵磁排列。物質內部的熱運動包括核自旋運動、晶格振動和自由電子運動，3種運動對內能都有貢獻，在較高溫度時3種運動間的能量交換迅速，可處于熱平衡狀態，可用同一溫度來描述。在極低溫度下，三者間的能量交換較慢，不能很快建立熱平衡，故應區分與不同運動相的溫度。與核自旋運動相的溫度稱為核自旋溫度。核絕熱去磁只能降低核自旋溫度。盡管核自旋溫度已降到50nK量級，但晶格溫度可能仍為mK量級。