科普丨液态氦与超导体

　　首先给大家看个小视频：氦He 能形成超流体的最不活泼的元素。
　　随着工业技术的发展，19世纪初，科学家开始对气体液化进行研究。1845年，物理学家法拉第已经完成了大部分气体的液化，但氧、氮、氢、氦这几种气体的液化非常困难，所以，当时这些气体被称为＂永久气体＂。不过，从1887年到1898年，十多年间，氧、氮、氢均被科学家成功液化，但是氦的液化却依然是一个难题。
　　1908年7月10日，荷兰的莱顿实验室传来了好消息，物理学家海克·开默林-昂内斯成功地对氦气进行液化，温度点为4.2K（-268.95 ）。与此同时，开默林-昂内斯发现在这个温度点的金属汞电阻降为零，汞在4.2K的温度下，进入了一种全新的状态——超导态。后来，具备这种性质的物质被称为超导体。可以说，液态氦的制成开创了人类低温物理的新时代。
　　1877年的气体液化装置
　　氦气液化后得到液氦，与其他低温液体相比，它的正常沸点最低，为4.2221K（约为-269 ）。问题来了，氦气从哪里来呢？目前美国是氦气储量最大的国家，得到氦气的办法就是靠钻天然气，然后把氦气从天然气中分离出来。氦气的液化并不是那么简单。氦气是最难液化的物质，很多科学家付出颇多努力最后都无功而返。要将氦气液化，需先将氦气温度降至50K（-223 ）以下，如果要提高液化率，温度也得达到15K（-258 ），可想而知氦气的液化是一个艰辛的过程，如此苛刻的条件使得氦气是继氧、氮、氕、氢等物质之后最后被液化的物质。
　　古人云，先难后获。由于液氦具有极低的临界温度，因此液氦是科研中制造超低温的＂神器＂。某些材料在特定温度下，会出现电阻为零的现象，这些材料被称为超导体。但是，特定的温度往往是低温，因此需要液氢、液氮、液氦等低温液体制造低温环境，而在这三种液体中，液氦的温度是最低的，这就意味着如果不考虑成本、实验条件等因素，液氦是这三种液体中最理想的，而且也能找到更多的超导材料。在超导技术的应用中，液氦也发挥了很大的作用。核磁共振成像仪和波谱仪、超导磁体中超导线圈的低温冷源往往都会用到液氦。
　　把一圈导线缠绕在特制的超导材料上，再将其放置在液氦中，冷却至4.2开尔文、甚至更低，便可达到超导体所需的特殊温度条件，再向线圈中通入高强度电流。目前最大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室，由一块超导磁铁产生，磁场强度足足高达地球磁场的150万倍。
　　液氦对于我国在低温超导研究、半导体生产、卫星飞船发射、导弹武器工业等领域的发展起到了极大的作用。而今天的中科院物理研究所超导国家重点实验室，仍旧使用液氦进行着超导研究，实验室的工作一直处于国际超导研究的前沿。
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