- 專欄
文章專區
2017-06-01低溫與高磁場的世界
570 期
Author 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。……【更多內容請閱讀科學月刊第570期】