《低溫物理與技術(shù)》課件

低溫物理與技術(shù)探索物質(zhì)在極低溫下的奇妙世界課程概述課程目標(biāo)掌握低溫物理基本理論與技術(shù)應(yīng)用學(xué)習(xí)內(nèi)容低溫現(xiàn)象、超導(dǎo)體、超流體、制冷技術(shù)考核方式什么是低溫物理？溫度定義研究-153°C（120K）以下溫度區(qū)域研究對象物質(zhì)在極低溫下呈現(xiàn)特殊物理性質(zhì)理論基礎(chǔ)低溫物理學(xué)的歷史19世紀(jì)法拉第成功液化氯氣1898年詹姆斯·杜瓦液化氫氣1908年低溫標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威定義美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)溫度界限120K（-153°C）作為低溫研究下限分級系統(tǒng)深低溫、超低溫等細(xì)分溫區(qū)溫度單位與換算溫標(biāo)符號基準(zhǔn)點換算公式開爾文K絕對零度T(K)=T(°C)+273.15攝氏度°C水冰點T(°C)=T(K)-273.15華氏度°F氯化銨混合物T(°F)=T(°C)×1.8+32絕對零度理論定義0K（-273.15°C）分子運動完全停止的理想狀態(tài)實際意義熱力學(xué)第三定律保證無法達(dá)到現(xiàn)代技術(shù)可接近但永遠(yuǎn)不能抵達(dá)低溫物理研究對象合金低溫超導(dǎo)性質(zhì)半導(dǎo)體量子電子特性磁性材料低溫磁序研究非晶態(tài)物質(zhì)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變塑料與復(fù)合材料低溫力學(xué)性能量子效應(yīng)在低溫下的顯現(xiàn)能量基態(tài)系統(tǒng)趨向最低能量狀態(tài)低激發(fā)態(tài)量子躍遷能量差異變得顯著量子力學(xué)效應(yīng)隧穿效應(yīng)、零點能等現(xiàn)象明顯低溫物理學(xué)的主要研究方向玻色-愛因斯坦凝聚原子氣體在超低溫下新態(tài)研究量子霍爾效應(yīng)二維電子系統(tǒng)磁場下量子行為超流動性液體氦零粘度量子現(xiàn)象超導(dǎo)電性零電阻和完全抗磁性超導(dǎo)電性概述1定義特征零電阻、完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）2發(fā)現(xiàn)歷史1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞在4.2K變?yōu)槌瑢?dǎo)體3理論發(fā)展BCS理論解釋超導(dǎo)機(jī)理（1957年）超導(dǎo)體的類型第一類超導(dǎo)體純金屬材料臨界磁場低完全邁斯納效應(yīng)第二類超導(dǎo)體合金和化合物臨界磁場高混合態(tài)滲透高溫超導(dǎo)體銅氧化物系列臨界溫度高于77K機(jī)理仍有爭議超導(dǎo)應(yīng)用強(qiáng)磁場科研裝置、粒子加速器醫(yī)療設(shè)備磁共振成像（MRI）量子計算超導(dǎo)量子比特磁懸浮列車高速無摩擦交通超流動性概述定義流體的量子凝聚態(tài)零粘度流動氦-4超流轉(zhuǎn)變溫度約2.17K玻色-愛因斯坦凝聚氦-3超流轉(zhuǎn)變溫度約0.0025K庫珀對形成機(jī)制超流體的特性零粘度無摩擦流動熱超導(dǎo)極高熱傳導(dǎo)率量子渦旋量子化角動量爬行效應(yīng)沿容器壁爬升超流體的應(yīng)用精密測量超敏感陀螺儀引力波探測器低溫制冷技術(shù)稀釋制冷機(jī)超低溫獲取量子干涉儀超高靈敏度磁場測量量子態(tài)研究量子霍爾效應(yīng)1980整數(shù)量子霍爾效應(yīng)馮·克利青發(fā)現(xiàn)，獲1985年諾貝爾物理學(xué)獎1982分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)大內(nèi)與斯托默發(fā)現(xiàn)，獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎2005量子自旋霍爾效應(yīng)拓?fù)浣^緣體研究重要突破玻色-愛因斯坦凝聚理論基礎(chǔ)玻色子在低溫下占據(jù)相同量子態(tài)愛因斯坦1925年預(yù)言實驗實現(xiàn)1995年科內(nèi)爾等首次實現(xiàn)2001年諾貝爾物理學(xué)獎研究前沿量子模擬器量子渦旋晶格量子多體糾纏低溫技術(shù)概述定義范圍實現(xiàn)與維持低溫環(huán)境的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域科研、醫(yī)療、工業(yè)、航天發(fā)展歷程從氣體液化到量子信息技術(shù)制冷循環(huán)原理焦耳-湯姆遜效應(yīng)氣體絕熱節(jié)流冷卻絕熱膨脹氣體做功降溫磁制冷順磁鹽絕熱退磁3回?zé)嵫h(huán)熱交換提高效率氣體液化技術(shù)氮氣液化沸點77K，工業(yè)應(yīng)用最廣泛氫氣液化沸點20K，清潔能源儲存氦氣液化沸點4.2K，超導(dǎo)磁體冷卻空氣分離低溫精餾提取各組分氦液化系統(tǒng)1系統(tǒng)組成壓縮機(jī)、純化器、熱交換器、節(jié)流閥2工作原理改進(jìn)克勞德循環(huán)，多級預(yù)冷與節(jié)流3性能指標(biāo)液化率、制冷功率、能耗比4技術(shù)挑戰(zhàn)低溫密封、絕熱設(shè)計、高效換熱稀釋制冷技術(shù)原理氦-3溶入氦-4的吸熱效應(yīng)基于兩種同位素混合焓差結(jié)構(gòu)混合室、蒸餾室、熱交換器多重絕熱設(shè)計性能可達(dá)2mK以下持續(xù)制冷能力應(yīng)用量子計算低溫物理實驗絕熱消磁制冷1原理基礎(chǔ)順磁材料在磁場中的熵變2電子絕熱消磁可達(dá)10mK量級溫度3核絕熱消磁可達(dá)微K量級極低溫低溫絕熱技術(shù)真空絕熱消除傳導(dǎo)與對流傳熱多層絕熱交替鋁箔與隔離層輻射屏蔽低發(fā)射率表面減少熱輻射低溫傳感器低溫傳感器需要特殊校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器在極低溫下失效低溫閥門與管路低溫閥門設(shè)計低溫密封材料選擇防凍結(jié)結(jié)構(gòu)延長桿減少熱傳導(dǎo)低溫管路布局減少熱負(fù)荷設(shè)計補(bǔ)償熱收縮多點支撐結(jié)構(gòu)材料選擇不銹鋼管道銅管高熱導(dǎo)特殊合金耐低溫低溫材料金屬材料不銹鋼韌性保持鋁合金低溫強(qiáng)度銅高導(dǎo)熱性非金屬材料聚四氟乙烯密封玻璃纖維結(jié)構(gòu)支撐陶瓷絕緣電氣連接復(fù)合材料碳纖維輕量高強(qiáng)玻璃鋼低熱傳導(dǎo)特種膠粘劑低溫密封技術(shù)靜態(tài)密封O型圈、金屬墊片動態(tài)密封低溫軸封、波紋管常見問題熱收縮、材料脆化解決方案特種合金、彈性設(shè)計低溫安全安全規(guī)程操作規(guī)范、應(yīng)急預(yù)案防護(hù)措施特種手套、面罩、圍裙凍傷處理復(fù)溫技術(shù)、醫(yī)療救助窒息風(fēng)險氧氣監(jiān)測、通風(fēng)系統(tǒng)低溫物理實驗技術(shù)概述1實驗?zāi)康奶剿鞯蜏亓孔蝇F(xiàn)象、材料特性研究2實驗方法樣品制備、溫度控制、測量技術(shù)3數(shù)據(jù)分析誤差分析、理論模型擬合、結(jié)果解釋低溫實驗室建設(shè)實驗室布局氣體供應(yīng)區(qū)、制冷設(shè)備區(qū)、測試區(qū)氦氣回收管路系統(tǒng)、純化裝置、壓縮儲存安全設(shè)施氧氣監(jiān)測、通風(fēng)系統(tǒng)、應(yīng)急裝備低溫測量技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高精度多通道2磁性測量SQUID磁強(qiáng)計熱容測量絕熱量熱法溫度測量鍺電阻、RuO2傳感器低溫光學(xué)測量低溫光學(xué)窗口材料選擇至關(guān)重要，需兼顧光學(xué)性能與熱應(yīng)力低溫核磁共振技術(shù)原理低溫提高信噪比核自旋極化增強(qiáng)設(shè)備超導(dǎo)磁體低溫探頭溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用量子材料研究生物大分子結(jié)構(gòu)低溫化學(xué)反應(yīng)低溫掃描隧道顯微技術(shù)4.2K液氦溫度標(biāo)準(zhǔn)工作溫度，降低熱噪聲0.01nm空間分辨率可分辨單個原子結(jié)構(gòu)0.1meV能量分辨率探測精細(xì)電子能譜低溫電子輸運測量電阻測量四探針法消除接觸電阻霍爾效應(yīng)測量確定載流子類型和濃度量子輸運現(xiàn)象弱局域化、量子干涉超導(dǎo)臨界參數(shù)測定臨界溫度、臨界場、臨界電流低溫聲學(xué)測量溫度(K)聲速(m/s)衰減系數(shù)典型金屬在不同溫度下的聲速與衰減系數(shù)變化，低溫提高傳播速度降低衰減低溫中子散射技術(shù)原理中子與原子核彈性散射探測晶格振動與磁結(jié)構(gòu)設(shè)備中子源（反應(yīng)堆或散裂源）低溫樣品環(huán)境散射角探測器陣列應(yīng)用領(lǐng)域磁性材料研究超導(dǎo)體微觀機(jī)理量子自旋液體低溫X射線衍射技術(shù)原理X射線與晶格原子相互作用產(chǎn)生衍射圖案低溫技術(shù)氮氣或氦氣冷卻樣品，減少熱振動研究對象晶格結(jié)構(gòu)相變、熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)分析衍射峰位隨溫度變化反映相變過程低溫環(huán)境下的材料力學(xué)性能測試?yán)鞙y試測定低溫下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度疲勞測試循環(huán)載荷下材料壽命評估斷裂韌性測試低溫脆化研究與預(yù)防低溫流體力學(xué)研究超流體動力學(xué)雙流體模型量子渦旋研究量子化角動量低溫液氦對流熱對流模式低溫流體輸運熱聲學(xué)振蕩納米結(jié)構(gòu)在低溫下的研究量子點零維結(jié)構(gòu)離散能級單電子器件量子線一維結(jié)構(gòu)量子化電導(dǎo)朗道爾公式二維材料石墨烯過渡金屬二硫化物拓?fù)浣^緣體低溫量子計算研究量子優(yōu)勢解決傳統(tǒng)計算機(jī)難以處理問題2量子退相干控制維持量子態(tài)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)3超導(dǎo)量子比特約瑟夫森結(jié)量子信息處理低溫環(huán)境需求毫K溫度抑制熱噪聲低溫天文學(xué)應(yīng)用空間望遠(yuǎn)鏡紅外探測器需冷卻至液氦溫度地面觀測超導(dǎo)微波接收器陣列暗物質(zhì)探測低溫晶體探測器捕捉微弱信號低溫生物學(xué)研究冷凍電鏡技術(shù)生物大分子高分辨率結(jié)構(gòu)測定低溫保存技術(shù)細(xì)胞組織長期儲存極端環(huán)境生物學(xué)耐低溫生物適應(yīng)機(jī)制研究低溫技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用火箭發(fā)動機(jī)液氫液氧推進(jìn)劑提供高比沖衛(wèi)星熱控系統(tǒng)低溫輻射器維持儀器工作溫度空間環(huán)境模擬低溫真空艙測試航天器性能低溫技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用醫(yī)療低溫技術(shù)涵蓋診斷成像、治療手術(shù)與樣本保存多個方面低溫技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)輸電零電阻電力傳輸液化天然氣體積減小600倍2氫能源液氫儲存與運輸超導(dǎo)儲能電網(wǎng)穩(wěn)定性保障4低溫技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用速凍技術(shù)液氮快速冷凍維持食品結(jié)構(gòu)與營養(yǎng)冷鏈物流全程溫控保鮮液氮制冷車廂低溫粉碎香料脆性增加保持揮發(fā)性成分低溫技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用低溫刻蝕深硅通孔刻蝕高寬比結(jié)構(gòu)形成低溫薄膜沉積減少表面擴(kuò)散形成非晶態(tài)薄膜低溫測試芯片性能驗證熱噪聲抑制低溫物理與技術(shù)的前沿研究方向相關(guān)論文數(shù)量研究經(jīng)費(百萬美元)中國低溫物理與技術(shù)發(fā)展歷程120世紀(jì)50年代洪朝生率先開展低溫研究21975年首臺國產(chǎn)氦液化機(jī)運行31987年高溫超導(dǎo)研究啟動42008年建成國際先進(jìn)低溫實驗平臺52020年代量子計算與低溫技術(shù)融合發(fā)展國際低溫物理與技術(shù)研究現(xiàn)狀12頂尖研究中心分布于美國、歐洲、日本等地$4.5B年度研發(fā)投入量子計算領(lǐng)域占比超過40%25+國際合作項目大型低溫設(shè)施共享與人才交流低溫物理與技術(shù)教育本科生培養(yǎng)熱力學(xué)基礎(chǔ)、低溫實驗入門碩士課程低溫技術(shù)專業(yè)課、研究方法訓(xùn)練博士研究前沿課題探索、國際交流合作實驗室建設(shè)教學(xué)科研一體化、開放共享平臺低溫物理與技術(shù)領(lǐng)域的職業(yè)發(fā)展1科研方向研究院所、高校、國家實驗室2工程應(yīng)用醫(yī)療設(shè)備、航天技術(shù)、能源企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)低溫設(shè)備研發(fā)、量子計算創(chuàng)業(yè)公司低溫物理與技術(shù)的倫理問題環(huán)境影響高能耗制冷、稀有氣體資源利用能源消耗研究裝置耗電量大，需平衡投入產(chǎn)出社會責(zé)任技術(shù)普惠共享，避免知識鴻溝倫