凝聚态物理的方法与工具
稀释制冷机
/ dy-LOO-shun re-FRIJ-er-ay-tor /
汗水之所以能给皮肤降温,是因为水在蒸发逃逸到空气中时把热量带走了。稀释制冷机用的是这一招的一个奇特“表亲”,能把温度降到比单靠液氦还要冷上几百倍——直到绝对零度以上千分之几度,这是地球上能够常规造出的最冷之处。
它的秘密在于氦有两种,叫做同位素:常见的氦-4,以及稀有而更轻的氦-3。在极低温下,这两者不肯随意相混,反而分成两层,像油浮在水上。机器持续地把氦-3原子从富集的上层拉过分界面、进入稀薄的下层;这种跨越会吸收热量,很像蒸发那样,而且因为即使在极冷下它仍能继续工作,便能把实验冷却到远超单靠蒸发所能达到的程度。
它之所以重要,是因为最娇弱的量子效应——量子计算机里量子比特的行为、分数量子霍尔态、最微弱的电子有序——只有在热噪声几乎被压到全无时才能存活,而稀释制冷机正是能够持续(而不只是短暂一下)抵达那里的标准机器。诚实的提醒是:它体积庞大、价格昂贵、动作缓慢:降温下来可能要一天甚至更久,它依赖稀缺的氦-3,而任何不小心放进去的热都会让这趟漫长的下行功亏一篑。
如今的超导量子计算机就栖身在稀释制冷机的最底部,被保持在绝对零度以上约十毫开的温度,以免杂散的热量打乱量子比特那脆弱的量子态。
量子计算机芯片置于稀释制冷机最冷的一级,接近百分之一开尔文。
它的制冷能力来自把两种氦同位素相混,而不是像厨房冰箱那样压缩气体。这正是它被称为“稀释”制冷机的原因——它把氦-3稀释进氦-4里。
又称
另见