在超低温状态下的应用

超低温状态下现象的研究与应用

摘要：在超低温下，会发生很多奇特的现象，例如超导、超流等现象，那么这些现象的物理本质是什么呢？目前超导现象的概念已经被大众接受，并且以超导为基础的很多器件已经制作出来，并在不断改进。本文都将一一进行介绍。

关键词：超低温状态，超导，超流，绝对零度

Abstract: At ultra-low temperature, there will be many strange phenomena, such as superconductivity, super flow and so on, then the physical nature of these phenomena is what? The current concept of superconductivity has been accepted by the public, and many devices based on superconductivity have been made and are continually improving. This article will be introduced one by one.

Keywords: ultra-low temperature, superconductivity, Super Fluidity，absolute zero

一、绝对零度的认识

绝对零度[1]是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成0K，等于摄氏温标零下273.15度。

绝对零度表示那样一种温度，在此温度下，构成物质的所有分子和原子均停止运动。所谓运动，系指所有空间、机械、分子以及振动等运动。还包括某些形式的电子运动，然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”。除非瓦解运动粒子的集聚系统，否则就不能停止这种运动。从这一定义的性质来看，绝对零度是不可能在任何实验中达到的，这些运动是肉眼看不见的，但是我们会看到，它们决定了物质的大部分与温度有关的性质。

二、超流现象

科学家在对绝对零度的研究中，发现了一些奇妙的现象。如氦本是气体，在-268.9℃时变为超液态，当温度持续降低时，原本装在瓶子里的液体，轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中，溢到了瓶外，继而出现喷泉现象，液体的粘滞性也消失了，这种现象被称为超流[2]现象。超流是一种宏观范围内的量子效应。由

于玻色—爱因斯坦凝聚[3]，氦原子形成一个“抱团很紧”的集体，超流正是这种“抱团”现象的具体表现。什么是玻色-爱因斯坦凝聚呢？玻色-爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。全世界已经有数十个实验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子，铬原子和镱原子等。

那么超流又有何性质呢？我们以超流液态氦为例。在2.17K以下，氦的同位素氦4进入超流态。超流的液氦具有以下性质：首先，液氦能沿极细的毛细管（管径约0.1微米）流动而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到，称为超流性。其次，如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中，让圆盘作扭转振动，则盘的运动将不受阻力。当液氦由容器A中通过多孔塞（或极细的毛细管）流出时，A内的液氦的温度升高。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应，即：当升高A内的温度时，其中液氦的液面将上升，若A本身是一毛细管，在极低温度下，液态氦的粘性会消失，它在任何东西上流动都没有阻力，将观察到液氦从上口喷出，故也称喷泉效应。液氦还具有极好的导热性，热导率为室温下铜的800倍。出于这些性质，人们也开发出超流在现实中的仪器如稀释致冷机、超敏感旋转感测器等。

图一液氦的喷泉效应

三、低温超导

3.1超导特性

1911年，荷兰莱顿大学的H.卡茂林.昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H.卡茂林.昂内斯称之为超导态[4]。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要

的性质——当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应[5]”。

什么是迈斯纳效应呢？产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。超导体不同于电阻无限小或者为零的理想导体。因为对于电阻率ρ无限小的理想导体，根据欧姆定律

u=iR (1)

和电流密度的定义，推得欧姆定律的微分形式：

j=σE （2）

其中

σ=1/ρ（3）

为电导率，ρ为电阻率，j为电流密度，E为电场强度，联立方程组（1）（2）（3）得：

E=ρJ [6]（4）

若ρ=0，则由麦克斯韦方程组

▽×E=-δB/δt=0 （5）

由此可知在加磁场前后理想导体体内磁感应强度不发生变化，即B=C≠0，C为加入磁场前导体体内的磁感应强度。而超导体的迈斯纳效应要求深入超导区B=0。后来人们还做过这样一个实验，在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很