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    【天天新要聞】【創作培育計劃】可望而不可及的“絕對零度”——氣體液化、稀釋制冷與氦3

    時間:2022-09-19 15:49:18    來源:科普中國網    


    (資料圖片僅供參考)

    量子計算技術的高速發展,使得稀釋制冷機的需求量大幅增加,也因此進入越來越多人的視野。稀釋制冷機,這一目前唯一商業化的10mK量級極低溫設備。三年前,我曾寫過一篇《接近絕對零度的死寂,卻是探索量子計算的秘境》,一個小心愿是希望這一技術能得到更多人的關注,促進國內極低溫技術的研發和商業化。如今,筆者很欣慰地看到,國內已經有好幾家單位造出了自己的稀釋制冷機,極低溫也突破了10mK關口,形勢喜人。時隔三年,我還是想再寫一篇,有些內容或有重復之處,但我的小心愿卻有了微妙的變化:我希望國內相關部門和人員能夠意識到,僅僅突破稀釋制冷技術是不夠的,在極低溫“卡脖子”的地方還有它處,且風險很高。去年美國國家科學基金會(NSF)發布一項指南,大意是未來隨著量子計算的發展,氦3的供應量會嚴重不足,因此鼓勵美國相關科研人員開發能夠替代氦3,或者替代稀釋制冷的極低溫技術,以應對即將到來的風險。注意到美國是全球唯二的氦3生產大國,尚且這樣布局,我國目前尚沒有氦3生產能力,豈不是更應關注這一風險?正好朋友約我談談“絕對零度”,于是就有了這篇稿子的構思和成篇。

    撰文 | 無邪引子每天出門之前,我都會習慣性地看一下天氣預報,除了陰晴風雨,我最關注的一個數值是溫度,這很大程度上決定了我該穿什么衣服出門。這個與我們息息相關的物理參數,描述了物體的冷熱程度,我們都知道水在零度以下會結冰,在100℃會沸騰,夏天需要開空調來降溫消暑,冬天則需要暖氣來保持室內的溫暖。今天準備聊的話題,正是溫度,特別是物理上的極限溫度——絕對零度。絕對零度,是這個宇宙中能夠達到的最低溫度,因為在這個溫度下,所有的物體將被徹底凍結,組成物質的原子、分子將完全靜止下來。當然,這是從經典的角度來說的,考慮量子效應的話,即便在絕對零度,仍存在量子漲落。不過,在討論這個話題的時候,我們暫時可以拋開量子效應不談,這不太會影響我們的理解。物理學中的溫度首先我們來看看溫度這個概念,從物理學角度來講,它就不再是冷熱程度那么簡單了。我們日常接觸到的物質,如一杯咖啡、一本書、一把椅子,他們都是由非常非常多的原子或分子組成的,大概有多少呢?一瓶礦泉水中大約包含1.6x1025個水分子,假如我們能對其中的水分子數數,每秒鐘數3個,大概需要數十七億億年!而我們宇宙誕生至今也才不到140億年。在一杯靜置的水中,其實里面的分子是躁動不安的,時時刻刻想擺脫周圍分子的束縛。處于表面的一些分子的確能成功地逃逸出來,獲得自由,這個過程就是“蒸發”。當溫度達到100℃的時候,水分子變得如此暴躁,以至于內部的一些分子也開始大量逃脫,形成氣泡又很快破裂,于是就形成了“沸騰”現象。

    從這里,我們就能體會到,溫度,是表示原子或分子“不安”程度的物理量。這種不安分,可以用熱運動的能量,或者說動能來描述。每個原子或分子有三個空間運動自由度(x,y,z),每個自由度攜帶的平均動能為1/2kBT,這里的kB是玻爾茲曼常數,為了紀念開辟統計熱力學的先驅玻爾茲曼(Ludwig Eduard Boltzmann,1844-1906)而命名。T就是溫度。溫度最早是在研究氣體分子運動時引入的,用來衡量氣體系綜的平均動能;現在,這個概念也被推廣到各種接近自由運動(相互作用很?。┑牧W酉稻C,比如固體中的巡游電子、原子氣團,乃至宇宙中的各種高能活動。物質中存在著很多相互作用,也就是力。我們已知的力包括強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。在我們日常生活這個層面上,展現的最多的是電磁相互作用。所有這些力與物質的熱運動以及其他形式的力相互競爭,一旦某一種力占據優勢時,物質就會形成一種新的有序結構(并相應地失去一些對稱性,這就是所謂的對稱性破缺)。因此,隨著溫度的變化,物質會逐級展現出不同的現象,這是物理學最奇妙的地方。舉兩個例子,根據現有的標準宇宙模型,我們的宇宙始于一場大爆炸,大爆炸之初,由于溫度極高,所有的力都是統一的。隨后溫度從1032℃(普朗克溫度)迅速下降到1027℃,引力開始分離出來,然后是強力,最后是電磁力和弱力。在這個過程中,先是電子、光子、夸克等形成,然后夸克凝聚成質子、中子等基本粒子,再之后進一步冷卻,質子、中子又凝聚成原子核,再之后原子核俘獲電子,形成原子。再進一步冷卻,不同原子通過外層電子的相互作用,又形成了千奇百態的分子。這些物質最終構成了我們的宇宙萬物,到今天,整個宇宙已經冷卻到了只有2.7K(微波背景輻射溫度)(K是絕對溫標,以絕對零度作為0K,我們日常生活溫度大約是300K),也就是大約-270℃。但故事沒有結束,宇宙還將繼續冷卻,直至逼近“絕對零度”(誰也不知道宇宙會不會有那一天,到那一天又會如何?)。另一個例子是超導現象。常溫下,金屬中的電子以非常高的速度做隨機的熱運動,有多快呢?大約是8萬米/秒。(電子還有一個由量子力學效應——泡利不相容原理決定的費米速度,比熱運動速度要高兩個數量級,在這里可以先不考慮。)另一方面,電子在晶格中運動導致的晶格畸變會形成一個約束能,大約在毫電子伏(meV)量級。隨著溫度降低,熱運動速度也逐漸降低,當熱運動的動能低于上述約束能時,電子就會受這個約束能影響而“配對”,變成“玻色子”。而玻色子由于不受泡利不相容原理影響,又可以進一步凝聚到基態,于是,就發生了所謂“超導”相變。相變之后,電流就由這個超導凝聚相來承載了,于是就有了零電阻效應和完全抗磁效應,它們為很多應用提供了特別好用的物理工具。比如說磁體,我們現在終于可以繞制出超強磁場(超過20特斯拉)的磁體,醫院里的核磁共振成像設備,用的就全都是超導磁體;再比如,超導量子干涉儀,可以探測極其微弱的磁場;還有超導量子比特,這是目前最有前景的量子計算技術方案之一。氣體液化之路:低溫小史這就是物理學家們總要想方設法操控溫度的原因。在粒子物理方面,科學家們想盡辦法將溫度升到極高,從而發現那些室溫下被禁閉的物理過程。在凝聚態物理方面,科學家們則設法不斷降低溫度,直至逼近絕對零度,讓各種低能的集體物理效應表現出來。上面講到的超導現象,就是荷蘭物理學家昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes,1853-1926)在成功將氦氣液化,溫度降至4.2K之后,在水銀中測到了電阻的突然跳變,從而打開了超導物理的大門。我們還是先沿著降低溫度這條路徑來講,無他,我比較熟。在獲取低溫的道路上,有一位我們非常熟悉的先驅,那就是法拉第(Michael Faraday,1791-1867)——沒錯,就是那位發現電磁感應定律的法拉第。他在研究氯氣的化學性質時,一不小心就得到了液態氯,他總結出來是低溫和高壓所導致的。從此一發不可收拾,一路液化了當時幾乎所有已知的氣體,只有氧氣、氮氣、氫氣等氣體搞不定,于是他認定這些氣體是“永久氣體”(permanent gases)。后來的事實當然證明他錯了,不過搞氣體液化畢竟是他的“副業”,他不小心液化氯氣,是因為他當時是化學家戴維(Humphry Davy,1778-1829)的助手,主業其實是搞化學。接下來法國人卡耶泰(Louis Paul Cailletet,1832-1913)液化了氧氣和氮氣,他用到了一個重要的效應——焦耳-湯姆森效應(Joule–Thomson effect)?,F在的稀釋制冷機中,有一個重要的部件就叫“焦湯換熱器”,是將氦氣液化的重要環節。氮氣液化將低溫極限推到了-196℃(77K)。但更重要的人物是杜瓦(James Dewar,1842-1923)?,F在的低溫儲罐,我們一般就叫作“杜瓦”,就是他發明了這種可以長久保存低溫液體的真空絕熱瓶。家里用的開水壺,其實就是一個“杜瓦”。杜瓦的重要貢獻是液化了氫氣,采用的方法是逐級液化降溫:先將容易液化的氣體液化(當時他用的是CH3Cl),然后做節流膨脹進一步降低溫度,再將另一種更難液化的氣體(比如C2H4)通入其中使其液化,再節流膨脹降溫,依次而行,最終得到了-260℃的低溫?;蛟S因為當年氦氣資源缺乏,我國早期的很多低溫實驗就是用液氫來做的。當我研究生入學的時候,陳兆甲老師給我們做新生教育,講了一個早年低溫實驗的事故,令我印象極為深刻:有一次,一個用完了的液氫儲罐瓶口結了冰,當時兩位蘇聯專家就想化開這些冰,而所用的辦法竟是用酒精燈烤!結果就是一聲巨響,把樓炸開了口。好在當時政治學習會議較多,我們自己的專家們都去另一個樓開會去了……言歸正傳,杜瓦的心愿是繼續攻克最后一種“永久氣體”——氦氣的液化,可惜這種氣體實在太稀缺了,他一直湊不夠,最終未能遂愿。而接過這一棒的,是昂內斯,他當時是荷蘭萊頓大學的物理實驗室負責人。在他帶領下,他們迅速將杜瓦的逐級制冷技術發揚光大,在鈔能力加持下,建立了大型的液化工廠;昂內斯利用漢普森-林德循環(Linde-Hampson cycle)、低溫杜瓦和焦耳-湯姆遜效應,成功將氦氣液化了,溫度極限進一步推進到了-269℃度,后來利用減壓降溫技術,又進一步推進到了1.5K,也就是約-272℃。他也因此獲得了“絕對零度先生”的稱號。昂內斯在液氦加持下又首次發現了超導現象,那就是另一個大故事了。氦液化技術成熟之后,液氦就成為了目前應用最為普遍的低溫制冷液體,除了溫度低的原因外,更重要的氦氣是惰性氣體,無毒無害,不會爆炸,比液氫安全得多。沖擊絕對零度不過,1.5K距離絕對零度還有一段距離,沖擊絕對零度的路還遠未結束。氦氣有一種同位素氦3(3He),它包含兩個質子、一個中子。氦3在自然界的相對豐度僅百萬分之一(1.38x10-6),它其實是核聚變非常理想的燃料,但自然界的含量實在太低了,做燃料不太現實。據說月球和水星上有較多的氦3,但開采也許得是幾十上百年以后的事情了。在極低溫的這“最后一公里”上,氦3的作用就非常大了,簡直就是上天饋贈。首先氦3的液化溫度更低,通過對氦3的減壓降溫,可以將溫度進一步推至0.3K。并且,氦3溶解在氦4(也就是普通的液氦)中,當溫度降低到大約0.8K以下時,會發生兩相分離,形成一個濃相和一個稀相,而當氦3原子穿過兩相分離的界面時,會帶走一部分熱量,這個過程理論上可以一直持續到絕對零度。這就成為了目前固體極低溫獲取的最重要技術——稀釋制冷技術的基礎。稀釋一詞的含義也正在此。稀釋制冷可以將溫度降至幾個mK,且已經商業化。隨著量子計算的發展,稀釋制冷機的需求量大大增加,已經有很多國內的科學家意識到發展自主可控的稀釋制冷機的必要性。幾年前我在中科院物理所的時候曾說服幾位搞低溫的老朋友一起做,盡管我后來離開了物理所,但他們仍不負眾望,在2021年成功將溫度降至10mK以下,并以重大成果的形式在當年的中關村論壇上發布。我由衷為他們高興?,F在國內立項要做稀釋制冷機的單位和公司已經不少,有些單位將其稱為“卡脖子技術”,我認為有點言過其實了。正所謂稀釋制冷機可得,氦3不可得,實際上真正卡脖子的地方不在“稀釋制冷”而在氦3,畢竟稀釋制冷技術誕生至今已經超過半個世紀了。德國魏茨曼科學研究所的Urlig發表過大量文獻,將無液氦稀釋制冷機技術講得很清楚了,有極低溫基礎,用心用力去做,肯定能做出來(我這里絕不是說稀釋制冷機容易做,事實上這仍是一項技術挑戰)。但氦3是一種幾乎無法自然提取的資源,全世界僅有美國和俄羅斯有商業化生產氦3的能力,大部分都是配額供應。如今,美國連同歐洲對我國氦3供應全面禁止,我們的氦3來源變成了俄羅斯獨家,假如量子計算真的興起,且不提根本供應不起,這獨家供應本身就是一個極大的風險。我們有沒有辦法來應對呢?理論上是有的。一方面,可以探尋極低溫獲取的替代方案,比如核絕熱去磁或順磁鹽去磁,事實上我國科學家中科院物理所的呂力、景秀年,另外還有北大的林熙教授等,利用核絕熱去磁技術(當然是在稀釋制冷的基礎上),已經將極低溫推至1mK以下了。不過核絕熱去磁技術目前來看很難應用于量子計算,因為它需要反復加磁場,而量子比特很怕磁場。這里只是舉這個例子,我相信未來會產生更好的極低溫技術。另一方面則是實現氦3的量產。既然美國和俄羅斯可以生產,中國沒理由不能生產,對吧?氦3該怎么生產呢?前面提到的從自然界提取不可行,從太空其他行星開采又遙不可及,實際上它可以從核反應堆里面產生出來。在重水堆中,重水(D2O)的主要作用是作為中子的減速劑和傳熱系統,而熱中子和重水中的氘(2H)可以發生反應生成一定量的氚(3H),氚具有放射性,它會通過β衰變釋放一個電子而變成氦3???,氦3出來了。別急,接下來還要收集這些氦3。重水堆內有一個氣體覆蓋系統,它在系統中循環,并通過與氧的催化復合重新生成重水來控制重氫氣(D2)和氘氚(DT)的含量。氦3在重水中的溶解度極低,因此產生之后會迅速逃逸到覆蓋氣體中去,只要設法將其從覆蓋氣體中分離出來,就能得到高純度的氦3了。根據減速劑的活化程度,一臺典型的700MWe重水堆,一年可以生產0.1-0.7m3的氦3氣體。我不是做核反應的,也就能硬著頭皮說到這了。實際上的技術實現,肯定比我說的要難很多,比如如何提高氣體提餾效率(覆蓋氣體有很高的損耗率)、如何將氦3氣中的放射性氚(畢竟二者質量幾乎一樣)和其他雜氣分離出去等等。零點幾立方米的氦3氣,看似微不足道,但一臺稀釋制冷機的氦3氣用量的典型值,也就二三十升,如果能實現連續生產,還是能解燃眉之急的。到此,我們的絕對零度之旅就告一段落了。我們是不是還可以將溫度降到更低?答案肯定為是。不過永遠也到不了絕對零度,這是熱力學第三定律的核心內容,本質上,是因為這個宇宙中不存在真正完全孤立的系統??茖W家通過對很少量的原子系綜做激光減速和蒸發,可以將其溫度降低至微K量級,這就是超冷原子。冷原子是另一個很有意思的量子計算/量子模擬候選體系,超出了我的知識范圍,就不做探討了??茖W家的低溫之旅還會繼續。

    出品:科普中國創作培育計劃

    標簽: 絕對零度 相互作用 氣體液化

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