2017年6月1日

低溫與高磁場的世界

作者/江佩勳,國立臺灣師範大學物理學系助理教授,閒暇時愛攀岩、跳舞、彈鋼琴。

當我告訴朋友我的研究主題是低溫物理時,他們興致勃勃的談論起來。

「低溫物理?」榮尼說,「是不是像FBI那種從上鎖電腦中取出資料的手法?就是讓電腦在不斷電的情況下把它移到極低溫環境,將記憶體拔出來,迅速接到另一台電腦,在完全不流失資料的情況下將記憶體中的私密資料讀出來。這算是低溫物理的範圍嗎?」
小光笑道:「那個與超導體世界相比,應該算超高溫?」

的確,在我實驗室內的「致冷機」可降到「接近」絕對零度(0 Kelvin,相當於-273°C,Kelvin可縮寫成K),遠低於日常生活中遇到的低溫。不過,所有的低溫技術都是應用幾個相似的物理原理。就像以前我在美國國家高磁場實驗室裡認識的致冷機技師,也曾擔任沃爾瑪百貨食品冷凍部門的顧問。

上面提到的竊取電腦資料手法,稱作「冷開機攻擊」,操作者大多會用壓縮氣體噴灌來製造低溫。這噴灌隨處都買得到,通常被用來為電子元件除塵,把灰塵吹走。噴灌裡面是因高壓液化的氣體(通常是碳氟化合物),當液體被噴出時,它會迅速汽化;此相變需要吸收潛熱才能進行,所以它能將環境溫度降低。

致冷機裡的相變
所有致冷機都需要靠冷媒進行「相變」,以達到降溫效果,就像日常生活中的冷氣機和冰箱也都需要冷媒。冷氣機和冰箱常用的冷媒多為各種碳氟化合物與其他材料的混合物,但實驗室裡接近絕對零度的致冷機所使用的冷媒則是「氦」。氦有兩種穩定的同位素:氦–4(4He)與氦–3(3He),在自然界所佔比例各為99.9998%和0.0002%。在一大氣壓下,氦–4的沸點是4.2 K,氦–3的沸點是3.2 K;但如果對一小壺液態氦抽氣,降低其蒸氣壓,那麼氦–4可以再降到大約1 K,而純氦–3可以降到0.2到0.3 K。

若還嫌不夠,有一種致冷機叫做「稀釋致冷機(dilution refrigerator)」,它除了配備1 K的液態氦–4壺,它還有一個最主要的結構叫「混合室(mixing chamber)」,其內會引入氦–4與氦–3特定比例混合物。此混合室在1 K壺和其他結構的協助下,可降溫到0.87 K以下;在這溫度下,原本均勻的混合物會形成明顯的「濃 3He相(3He-rich phase)」和「稀3He相(3He-dilute phase)」兩相分層,此兩相分界叫做相界(phase boundary)。對混合室外上方溫度較高、仍均勻的混合物容器(英文稱作Still)抽氣時,會誘發混合室內的氦–3從「濃3He相」通過相界移入「稀3He相」,以補充「稀3He相」中的氦–3回到其平衡態;此通過相界的過程須吸收能量,可以使周遭溫度降到約10 mK以下(1 mK = 10–3 K)。......【更多內容請閱讀科學月刊第570期】

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