我国科学家突破极低温制冷技术瓶颈 无氦制冷研究入选中国科学十大进展

问题——极低温能力为何事关“底座”竞争力 在大众认知中,制冷更多对应家用冰箱等场景。

然而在航天、量子信息、精密测量等领域,科研与工程所需温度往往逼近绝对零度附近,仅高出不到1开尔文。

此类极低温环境能够显著抑制热噪声、稳定量子态、提升器件灵敏度与分辨率,是开展低温探测器、超导器件、量子比特操控等工作的关键条件。

谁能更稳定、更低成本、更可持续地获得极低温,谁就更可能在相关前沿方向形成系统性优势。

原因——“氦依赖”使极低温技术面临供应与成本双重约束 现有多种极低温制冷路线与低温实验体系离不开氦,尤其是液氦及相关稀释制冷技术在超低温应用中占据重要位置。

问题在于,氦属于稀缺资源,全球产量有限、供应链易受地缘与市场波动影响;同时我国氦资源相对不足,长期依赖进口,价格与供给的不确定性对科研连续性和产业扩展带来压力。

一旦在关键节点出现供需紧张,可能造成实验平台运行成本上升、装置建设周期拉长,甚至影响任务实施与人才培养的稳定性。

由此,降低对氦的依赖、探索替代路径,成为极低温领域亟需破解的现实课题。

影响——新机制提供“无氦制冷”增量空间,或将重塑部分技术路径 在此背景下,我国科研人员围绕磁性量子物态开展基础研究,提出并验证了与自旋超固态相关的巨磁卡效应及新的极低温制冷机制。

磁卡效应可理解为材料在外加磁场变化时出现的温度变化现象,强磁卡效应意味着在合适的材料体系与磁场调控条件下,可获得更显著的降温能力。

相关研究指出,特定量子态下的自旋结构与相变行为可能带来异常增强的磁热响应,从而为在极低温区间实现高效率降温提供物理基础。

从应用视角看,这一路线的价值不止于“替代某一种工艺”,更在于拓宽极低温获得的技术工具箱:一方面,有望在某些温区降低对氦工质的刚性需求,缓解资源约束;另一方面,若能与现有低温工程体系有效耦合,可能形成更灵活的分级制冷方案,提高系统可维护性与运行经济性。

对量子计算、空间载荷低温探测器以及高灵敏磁测、频标等装置而言,制冷环节的成本、体积、可靠性都直接影响工程化进度,新机制的出现意味着后续优化空间扩大。

对策——从“发现”走向“可用”,需要材料、工程与体系化平台协同推进 基础研究突破为路线选择提供了新方向,但要转化为稳定可用的制冷技术,仍需多环节协同发力。

首先是材料与机理的进一步验证与可重复性评估,包括材料制备一致性、关键参数的稳定性以及在不同磁场条件下的性能边界。

其次是工程实现路径,需要面向装置化、模块化开展设计,评估磁场产生、热交换、系统控制等关键部件的可行性与能耗水平,并与现有低温平台形成兼容方案。

再次是应用牵引,建议在量子器件测试、低温传感器标定等典型场景开展示范验证,以实际运行数据推动标准化与可靠性提升。

与此同时,针对氦资源问题,还应持续推进氦回收利用与循环体系建设,形成“替代技术+节约利用”的组合策略,增强供应链韧性。

前景——基础研究牵引关键技术“突围”,极低温赛道或迎来新一轮布局窗口 从国际趋势看,量子科技、深空探测与新型精密测量对极低温能力的需求仍在增长,且更加强调长期稳定运行与规模化成本控制。

无氦制冷新机制的提出,体现出以原创性基础研究带动关键核心技术突破的路径价值。

未来若在材料体系、制冷效率与工程集成方面取得持续进展,相关技术有望在部分应用场景中率先落地,进而带动产业链向磁制冷关键材料、低温系统集成、测试平台服务等方向延伸。

可以预期,围绕极低温的技术体系将呈现多路线并行的格局:传统氦相关技术仍具优势,但“减氦化”“少氦化”乃至特定场景“无氦化”将成为重要趋势。

无氦制冷新机制的发现,体现了我国基础研究在关键领域的创新能力和战略眼光。

它不仅为解决制冷领域的"卡脖子"问题提供了科学路径,更为我国在量子技术、深空探测等战略性新兴产业中的自主发展奠定了基础。

这一成果启示我们,面对科技竞争中的战略瓶颈,唯有加强基础研究,才能在关键领域实现真正的自主创新和技术突破。

随着这项研究的深入推进和应用拓展,我国极低温技术将迎来新的发展阶段,为建设科技强国提供有力支撑。