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科普丨液態氦與超導體

首先給大家看個小影片:氦He 能形成超流體的最不活潑的元素。

隨著工業技術的發展,19世紀初,科學家開始對氣體液化進行研究。1845年,物理學家法拉第已經完成了大部分氣體的液化,但氧、氮、氫、氦這幾種氣體的液化非常困難,所以,當時這些氣體被稱為“永久氣體”。不過,從1887年到1898年,十多年間,氧、氮、氫均被科學家成功液化,但是氦的液化卻依然是一個難題。

科普丨液態氦與超導體

1908年7月10日,荷蘭的萊頓實驗室傳來了好訊息,物理學家海克·開默林-昂內斯成功地對氦氣進行液化,溫度點為4.2K(-268.95℃)。與此同時,開默林-昂內斯發現在這個溫度點的金屬汞電阻降為零,汞在4.2K的溫度下,進入了一種全新的狀態——超導態。後來,具備這種性質的物質被稱為超導體。可以說,液態氦的製成開創了人類低溫物理的新時代。

科普丨液態氦與超導體


1877年的氣體液化裝置

氦氣液化後得到液氦,與其他低溫液體相比,它的正常沸點最低,為4.2221K(約為-269℃)。問題來了,氦氣從哪裡來呢?目前美國是氦氣儲量最大的國家,得到氦氣的辦法就是靠鑽天然氣,然後把氦氣從天然氣中分離出來。氦氣的液化並不是那麼簡單。氦氣是最難液化的物質,很多科學家付出頗多努力最後都無功而返。要將氦氣液化,需先將氦氣溫度降至50K(-223℃)以下,如果要提高液化率,溫度也得達到15K(-258℃),可想而知氦氣的液化是一個艱辛的過程,如此苛刻的條件使得氦氣是繼氧、氮、氕、氫等物質之後最後被液化的物質。

古人云,先難後獲。由於液氦具有極低的臨界溫度,因此液氦是科研中製造超低溫的“神器”。某些材料在特定溫度下,會出現電阻為零的現象,這些材料被稱為超導體。但是,特定的溫度往往是低溫,因此需要液氫、液氮、液氦等低溫液體制造低溫環境,而在這三種液體中,液氦的溫度是最低的,這就意味著如果不考慮成本、實驗條件等因素,液氦是這三種液體中最理想的,而且也能找到更多的超導材料。在超導技術的應用中,液氦也發揮了很大的作用。核磁共振成像儀和波譜儀、超導磁體中超導線圈的低溫冷源往往都會用到液氦。

科普丨液態氦與超導體

把一圈導線纏繞在特製的超導材料上,再將其放置在液氦中,冷卻至4.2開爾文、甚至更低,便可達到超導體所需的特殊溫度條件,再向線圈中通入高強度電流。目前最大的穩定磁場位於美國佛羅里達大學國家高強磁場實驗室,由一塊超導磁鐵產生,磁場強度足足高達地球磁場的150萬倍。

液氦對於我國在低溫超導研究、半導體生產、衛星飛船發射、導彈武器工業等領域的發展起到了極大的作用。而今天的中科院物理研究所超導國家重點實驗室,仍舊使用液氦進行著超導研究,實驗室的工作一直處於國際超導研究的前沿。

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分類: 財經
時間: 2022-02-17

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