无氦磁制冷支持量子研究的连续毫开尔文温度

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低温表征是加速和实现突破性科学及量子技术的必由之路。量子传感器、量子通信设备和未来的量子计算机的运行将依赖于可扩展且高效的冷却技术。

量子计算机依赖于量子比特，它们可以同时存在于多种状态。这些量子态极其脆弱，容易受到环境噪声（尤其是热能）的干扰。许多量子计算方法，特别是那些利用超导量子比特的方法，依赖于超导性，而超导性发生在极低的温度下。接近绝对零度的低温可以最大限度地减少热波动，使量子比特能够保持更长时间的相干性，从而实现复杂的量子计算。

磁制冷正成为实现这些条件的一项极具前景的技术。使用液氦的传统低温冷却成本高昂且复杂，而磁制冷提供了一种可能更简单、更具可扩展性且更具成本效益的解决方案。

磁制冷

磁制冷利用特定材料中磁场与熵之间的关系，帮助产生接近绝对零度的极低温（称为亚开尔文温度，低于-273°C）。

熵是指材料中的无序或随机程度。在磁性材料中，熵基本上由两部分组成：a) 晶体结构的熵，熵越大意味着由于晶格振动导致温度越高；b) 晶体材料磁矩的熵。磁矩是一个矢量，代表磁性物体的磁强度和方向。磁矩的集合称为自旋系统。该自旋系统的熵对磁场的响应方式是磁制冷的核心。

其过程如下： 1) 磁矩有序排列；2) 施加磁场使磁矩有序，温度升高；3) 温度弛豫回到平衡状态；4) 移除磁场导致冷却。

绝热去磁制冷

绝热去磁制冷（ADR）是磁制冷中的一个特定过程。绝热是指与周围环境没有热交换的过程。去磁意味着减小磁场。制冷是指冷却过程。

在ADR过程中，材料（通常是顺磁盐）首先被预冷到相对较低的温度，通常使用低温制冷机。该过程涉及另外两个关键步骤： 磁化——然后将材料置于强磁场中。这导致材料内的磁矩（带相反电荷的粒子）排列，从而降低其熵。此过程中产生的热量被低温制冷机热浴吸收。

去磁——然后将材料进行热隔离，防止与周围环境进行热交换。磁场被缓慢减小。随着磁场的减小，磁矩/自旋试图恢复到更无序的高熵状态。为了实现这一点，它们从材料的内部热能中汲取能量，导致其温度显著下降。

ADR在极低温（毫开尔文范围）下实现冷却。这是一种达到接近绝对零度温度的方法。

低温恒温器与连续ADR

连续绝热去磁制冷（cADR）是绝热去磁制冷的一种变体，可在接近绝对零度的超低温下提供连续冷却。cADR是由kiutra GmbH（kiutra）商业化的多级冷却系统。它至少包含两个ADR单元，其工作原理是在一个ADR单元冷却时，另一个ADR单元进行再生，反之亦然。这是对ADR的重大改进，因为它提供了连续冷却，而ADR是一种单次方法，只能将被冷却物体保持在毫开尔文温度下一段时间。

kiutra的无氦连续ADR低温平台

kiutra是唯一提供连续cADR冷却解决方案的供应商，可产生低至100mK或-273.05°C的极低温。与传统的基于氦气的冷却方法相比，kiutra的无氦-3磁冷却技术用户友好，几乎不需要维护且具有可扩展性。其坚固的低温系统非常适合工业规模的量子技术冷却，无需低温液体即可达到并维持超低温。

“kiutra的S型低温平台独特地配备了两个ADR单元，可实现连续、无低温液体的亚开尔文冷却，”kiutra高级产品经理Steffen Säubert博士说。“它还可以单次模式运行，在有限的时间内达到更低的温度。在这两种模式下，冷却过程都是全自动的，可以通过直观的图形用户界面进行管理。”

“S型低温平台结构紧凑，占地面积小，为各种用途提供了简化、适应性强的无低温液体冷却，包括作为全球各个研究合作伙伴的操作和测试平台系统，”Säubert博士补充道。

具有超低振动解耦平台的光学通道

kiutra S型低温平台的一个变体S型光学版（S-Type Optical），包含一个大型自由光束垂直光学通道，允许对亚开尔文温度范围进行扩展的光学研究。

S型光学低温平台的一个独特功能是它能够消除振动，这些振动可能会干扰光学结果和量子计算。

包括量子比特在内的量子系统对其环境高度敏感。来自周围环境的振动，无论是来自冷却系统的制冷机还是房间内的声波，都可能将能量引入量子比特，破坏其微妙的量子态并导致其失去叠加态，而叠加态是量子计算的一个关键特征。

“经过仔细评估，我们的工程团队选择负刚度（Negative-Stiffness）隔振器来支持我们的S型光学低温平台，”Säubert博士继续说道。“kiutra选择负刚度隔振器是因为它们的被动能力、0.5 Hz的共振频率，并且它们非常容易优化以进行振动解耦，而无需在运行期间打开系统进行调整。”

负刚度隔振

负刚度隔振由Minus K Technology在20世纪90年代中期推出，已被振动关键应用广泛接受，主要是因为它能够有效地隔离垂直和水平方向的较低频率。该公司的隔振器被53个国家的300多所大学和政府实验室使用。

负刚度隔振器的独特之处在于它们完全以被动机械模式运行。它们不需要电力或压缩空气。没有电机、泵或腔室，也没有需要维护的部件，因为没有任何东西会磨损。

“垂直运动隔离由支撑重量负载的硬弹簧结合负刚度机构提供，”Minus K工程副总裁Erik Runge说。“净垂直刚度变得非常低，而不影响弹簧的静态负载支撑能力。与垂直运动隔离器串联连接的梁柱提供水平运动隔离。梁柱的行为类似于结合了负刚度机构的弹簧。结果是一个紧凑的被动隔离器，能够实现非常低的垂直和水平固有频率以及高的内部结构频率。”

负刚度隔振器在多个方向上实现了高水平的隔离，并具有将共振频率垂直和水平定制到0.5 Hz的灵活性（某些版本水平为1.5 Hz）*。当调整到0.5 Hz时，隔离器在2 Hz时实现约93%的隔离效率，在5 Hz时为99%，在10 Hz时为99.7%。

（*请注意，对于固有频率为0.5 Hz的隔离系统，隔离从0.7 Hz开始，并随着振动频率的增加而改善。固有频率更常用于描述系统性能。）

“由于其固有的模块化，我们的S型光学低温恒温器可以进行配置和升级，以满足广泛的用户需求，”Säubert博士解释道。“负刚度隔振器被设计为完美契合这个模块化平台。”

支持量子技术

“凭借我们多年来在低温系统方面丰富的实践经验，在kiutra，我们坚信磁制冷是一种极其通用且优雅的工具，可为与量子技术相关的低温研究提供支持，”Säubert博士补充道。“特别是无低温液体、连续冷却的磁制冷系统，它们在亚开尔文温度下的卓越性能绝对使其在其他低温系统中脱颖而出。”

资讯来源

• Magnetics Magazine (2026-11-09)
• 原文： 无氦磁制冷支持量子研究的连续毫开尔文温度
• https://magneticsmag.com/helium-free-magnetic-refrigeration-supports-continuous-milli-kelvin-temperatures-for-quantum-research/