摘要：你刚打开家里的冰箱，拿出一罐冰凉的饮料，指尖感受到零度左右的凉意。但你能想象一个比这还要冷上百万倍的“冰箱”吗？一个能将温度压到接近宇宙理论最低温的极限，让微观粒子都几乎要“冻僵”的超级装置？这听起来像是科幻小说里的情节，但就在最近，中国的科学家们把它变成了现

你刚打开家里的冰箱，拿出一罐冰凉的饮料，指尖感受到零度左右的凉意。但你能想象一个比这还要冷上百万倍的“冰箱”吗？一个能将温度压到接近宇宙理论最低温的极限，让微观粒子都几乎要“冻僵”的超级装置？这听起来像是科幻小说里的情节，但就在最近，中国的科学家们把它变成了现实。在国家纳米科学中心的实验室里，一台名为“超级冰箱”的制冷机，成功创造出了零下273.142摄氏度的极寒环境！这个温度，距离那个只存在于物理课本里的、被称为“绝对零度”的终极低温点，仅仅相差了0.008℃。这毫厘之间的突破，究竟意味着什么？它又是如何实现的？让我们一起走进这个“宇宙级低温”的奇妙世界。

我们每天都在谈论“温度”。夏天热得冒汗，冬天冻得发抖，这是我们对温度的直观感受。但温度的本质是什么？其实，它揭示的是物质内部微观粒子（原子、分子）运动的剧烈程度。想象一下无数个微小粒子在疯狂地振动、旋转、跑来跑去——它们动得越欢腾，表现出来的温度就越高；相反，它们要是变得“懒洋洋”，运动速度慢下来，温度也就跟着降下去了。

科学家们发现，理论上存在一个温度的“终极冰点”。当宇宙中所有的粒子都完全停止运动，达到一种绝对的静止状态时，温度就会降到最低点——这就是绝对零度（-273.15℃）。这个数值不是随便猜的，它是通过精确的热力学计算得出的一个极限值。你可以把它想象成宇宙的“冰封极点”，一个所有热运动都归零的终极状态。

但问题来了：达到绝对零度是不可能的！ 这是热力学第三定律明确告诉我们的。为什么呢？因为要让粒子完全静止，就需要无限精确地控制它们的状态，移除所有的能量。而量子力学告诉我们，粒子具有“波粒二象性”，即使在最低能态，也存在一种“零点能”，使得粒子无法完全停止运动。这就像你永远无法让一个在蹦床上完全静止不动一样，总会有极其微小的、源自宇宙基本规则的“抖动”。所以，绝对零度是一个只能无限逼近，却永远无法真正触摸到的极限。

既然绝对零度无法达到，科学家们能做的就是无限接近它。每一次接近，都意味着人类对物质世界掌控能力的巨大飞跃。以往，要制造极低温环境，主要依赖液氦。液氦（主要是氦-4）的沸点是零下268.9℃，这已经非常冷了，广泛应用于大型科学装置如核磁共振仪（MRI）、粒子加速器的超导磁体冷却。但这距离绝对零度还有4.25℃的差距，在追求极致的科学探索面前，这差距犹如鸿沟。

这次中国科学家研发的“超级冰箱”，其核心是一种更为先进的技术——稀释制冷（Dilution Refrigeration）。这台机器的“心脏”里，流动着两种特殊的“血液”：氦-3 (³He) 和 氦-4 (⁴He) 的同位素液体混合物。虽然都是氦，但这两种同位素在极低温下行为迥异。

原理揭秘：

1. 预冷阶段：利用普通的液氦（⁴He）或者机械制冷机，将整个系统初步冷却到几开尔文（零下270℃左右）。

2. 混合腔的魔法： 在接近绝对零度时，氦-3和氦-4的混合物会发生奇妙的“相分离”，就像油和水不相溶一样。在这个状态下，氦-3原子会倾向于溶解在富含氦-4的“浓相”中，这个过程需要吸收热量！

3. 持续抽运： 科学家们巧妙地用一个泵，不断地将溶解了氦-3的“稀相”液体抽走。为了维持相分离的平衡，浓相中的氦-3原子会持续不断地溶解到稀相中去。每一次溶解，都需要吸收周围环境的热量！

4. 逼近极限： 这个过程循环往复，就像一个高效的“热量吸尘器”，源源不断地将热量从被冷却的物体（比如实验样品）中抽走，从而实现温度的持续下降，最终达到毫开尔文（mK）量级，也就是这次突破的零下273.142℃（约等于0.008 K或8 mK）。

但这还不是全部！ 这次中国的“超级冰箱”之所以能实现如此接近绝对零度的纪录，并且在极端低温下保持稳定运行，纳米材料的应用功不可没。想象一下，在接近绝对零度的环境中，哪怕是一根普通电线里极其微弱的热传导或热辐射，都足以扰乱整个实验环境。科学家们利用具有特殊热学性质的纳米材料，制造了极其精密的热开关和热连接器。这些纳米结构就像一个高效的“低温交通指挥官”，精确控制着哪里该导热（把热量高效导走），哪里该绝热（阻止外部热量侵入），最大限度地减少了外部热量的干扰，确保了制冷机核心区域的超低温纯净度。

当温度被压低到接近绝对零度的宇宙冰点时，我们熟悉的物质世界会彻底“变脸”，展现出令人瞠目结舌的量子效应。这些现象在常温下是完全看不到或被掩盖的：

超导性的“零阻力”奇迹： 我们都知道电线会发热，这是因为电子在导体里运动时会撞上原子，产生电阻。但在接近绝对零度的极低温下，某些特定材料中的电子会进入一种神奇的“手拉手”状态（形成“库珀对”）。它们仿佛拥有了穿墙术，能够毫无阻碍地穿过晶格，电阻突然消失得无影无踪！这就是超导现象。这种“零电阻”特性，对于制造损耗极小、磁场极强的超导磁体至关重要，是磁悬浮列车、未来核聚变装置以及高能物理研究的关键。这台“超级冰箱”为研究更优异、甚至可能在更高温度下工作的新型超导材料提供了前所未有的理想实验温床。

超流体的“反重力”爬升： 普通的液体都有粘性（比如蜂蜜比水粘稠），会受重力影响往下流。但极低温下的液氦（主要是⁴He），会转变成一种叫做超流体的奇异状态。超流体液氦完全没有粘滞性！它能沿着容器壁向上爬升，轻松流过比头发丝还细的缝隙而不产生任何阻力。它甚至能形成一层只有几个原子厚的薄膜，覆盖整个容器内壁。研究超流体，有助于理解量子涡旋、拓扑相变等深奥的物理概念。

量子世界的清晰“显影”： 在常温下，微观粒子遵循量子力学的规则，但它们的行为被剧烈的热运动所“模糊”。

当我们把温度降到极低，热噪声被强力压制后，量子效应变得异常清晰和可控。比如：

量子纠缠： 粒子之间可以形成一种神秘的“心灵感应”，无论相隔多远，状态瞬间关联。这是量子通信和量子计算的核心资源。

量子叠加： 一个粒子可以同时处于多个状态（比如同时向上和向下自旋），直到被测量时才“坍缩”到一个确定状态。这是量子计算机远超经典计算机运算能力的物理基础。

量子隧穿： 粒子可以像穿墙一样越过本不该越过的能量壁垒。

量子磁现象： 在极低温下，物质的磁学性质会展现出奇异的量子有序态（如自旋冰、量子自旋液体等），这些可能是未来拓扑量子计算的材料候选者。

这台“超级冰箱”创造的极端低温环境，就是让这些“害羞”的量子现象清晰显现并供科学家精确操控的最佳舞台。

这毫厘之间的温度突破，绝非实验室里的自娱自乐，它是一把打开未来科技大门的金钥匙：

1. 量子计算的“稳定器”： 当前量子计算机发展的最大瓶颈之一，就是量子比特（Qubit）极其脆弱。环境中的微小热量（热噪声）都会导致它们丢失信息（退相干）。这台超级冰箱提供的接近绝对零度的超低温环境，是抑制热噪声、保护量子态、延长量子比特寿命的终极解决方案。它为研发更稳定、比特数更多、纠错能力更强的实用化量子计算机提供了不可或缺的基础环境。可以说，没有这样的极低温技术，大规模的通用量子计算将寸步难行。

2. 探索新物理的“显微镜”： 许多预测中的基本物理现象和理论模型，只有在接近绝对零度的极端条件下才能被观测和验证。这台装置就像一台超高分辨率的“物理显微镜”，让科学家得以窥探：

暗物质探测：某些暗物质粒子与普通物质相互作用的微弱信号，可能在极低温下更容易被捕捉。

新粒子/新现象：如轴子、马约拉纳费米子（拓扑量子计算的关键）等。

拓扑量子物态：这些具有奇异性质的材料可能是构建容错量子计算机的基石。

宇宙学模拟：极低温下的某些量子态可能与宇宙极早期或极端天体环境中的物理状态相似。

3. 尖端仪器与材料的“孵化器”： 除了量子计算和基础物理：

高精度传感器： 在极低温下工作的超导量子干涉仪（SQUID）等器件，拥有探测极其微弱磁场、电压的能力，可用于地质勘探、生物医学成像（如心磁图、脑磁图）甚至基础科研。

新一代超导材料： 在可控的极低温环境中深入研究超导机制，是发现临界温度更高、性能更好的实用化超导材料的关键。这对能源传输（无损耗电网）、磁悬浮交通、医疗设备（更小型化、更强磁场的MRI）等领域意义重大。

深空探测： 空间望远镜（尤其是红外望远镜）的探测器需要在极低温下工作，以降低自身热噪声，看清遥远天体的微弱信号。地面上的超级冰箱技术积累，可为未来更先进的深空探测器制冷系统提供重要参考。

在低温物理和制冷技术领域，特别是这种逼近绝对零度的尖端稀释制冷技术，长期以来被欧美少数几家专业公司所垄断。它们价格极其昂贵，技术壁垒高筑，是典型的“卡脖子”技术。

中国科学院国家纳米科学中心的这一突破性成果，标志着中国在极端低温核心技术上实现了重大自主创新。这不仅仅是温度数值上0.008℃的进步，更是在核心原理探索、材料工艺、系统集成与控制等全链条能力的提升。它打破了国外的技术封锁，使中国在最前沿的量子科技、凝聚态物理等研究领域，拥有了自主可控、世界一流的极端实验条件保障能力。这无疑是我国从科技大国迈向科技强国征程中，在关键核心技术和高端科学仪器领域打下的又一个坚实里程碑。

零下273.142℃，距离绝对零度仅0.008℃。这看似微不足道的温差，却凝聚着人类挑战物理极限、探索未知世界的雄心与智慧。中国的“超级冰箱”，不仅仅是一台制冷机器，它是科学家们伸向宇宙最深邃奥秘的“探测器”，是点燃未来量子革命引擎的“火花塞”，更是中国科技自立自强道路上的一座闪亮灯塔。

当我们凝视这个接近“宇宙冰点”的成就时，看到的不仅仅是冰冷的数字，更是人类科学精神的炽热光芒。它预示着，在接近绝对零度的寂静世界里，一个由量子规则主导的、充满无限可能性的新科技时代，正加速向我们走来。而中国的科学家们，正坚定地走在这条通往未来的最前沿道路上。下一次突破，也许就在那0.008℃之后的，更深的毫厘之间。

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权威信息来源参考：

1. 中央广播电视总台央视新闻报道：《全释硬科技丨超级冰箱：打造宇宙级低温》（2025年9月14日）

2. 中国科学院官网 (www.cas.cn)

3. 国家纳米科学中心官网 (www.nanoctr.cn)

4. 相关科学原理参考经典物理学与量子力学教材及综述文献（如《低温物理学》、《量子计算导论》等）。

来源：吴闲职