凝聚態物理的方法與工具

稀釋製冷機

/ dy-LOO-shun re-FRIJ-er-ay-tor /

汗水之所以能給皮膚降溫,是因為水在蒸發逃逸到空氣中時把熱量帶走了。稀釋製冷機用的是這一招的一個奇特「表親」,能把溫度降到比單靠液氦還要冷上幾百倍——直到絕對零度以上千分之幾度,這是地球上能夠常規造出的最冷之處。

它的祕密在於氦有兩種,叫做同位素:常見的氦-4,以及稀有而更輕的氦-3。在極低溫下,這兩者不肯隨意相混,反而分成兩層,像油浮在水上。機器持續地把氦-3原子從富集的上層拉過分界面、進入稀薄的下層;這種跨越會吸收熱量,很像蒸發那樣,而且因為即使在極冷下它仍能繼續工作,便能把實驗冷卻到遠超單靠蒸發所能達到的程度。

它之所以重要,是因為最嬌弱的量子效應——量子計算機裡量子位元的行為、分數量子霍爾態、最微弱的電子有序——只有在熱雜訊幾乎被壓到全無時才能存活,而稀釋製冷機正是能夠持續(而不只是短暫一下)抵達那裡的標準機器。誠實的提醒是:它體積龐大、價格昂貴、動作緩慢:降溫下來可能要一天甚至更久,它依賴稀缺的氦-3,而任何不小心放進去的熱都會讓這趟漫長的下行功虧一簣。

如今的超導量子計算機就棲身在稀釋製冷機的最底部,被保持在絕對零度以上約十毫開的溫度,以免雜散的熱量打亂量子位元那脆弱的量子態。

量子計算機晶片置於稀釋製冷機最冷的一級,接近百分之一開爾文。

它的製冷能力來自把兩種氦同位素相混,而不是像廚房冰箱那樣壓縮氣體。這正是它被稱為「稀釋」製冷機的原因——它把氦-3稀釋進氦-4裡。

又稱
dil fridge稀释制冷器