《低溫實驗導論》：低溫物理實踐要領的總結與推廣

|作者：姬揚?

(浙江大學物理學院)

本文選自《物理》2025年第8期

林熙是北京大學物理學院的教授，在低維材料和介觀器件的量子輸運方面做了很多工作，在低溫物理實驗和制冷技術方面有著豐富的經驗。《低溫實驗導論》就是他總結自己多年來的教學和實踐經驗，為低溫實驗工作者寫的入門教材和參考書。全書分上下兩冊，總計800頁。

我不做低溫物理實驗很多年了。低溫物理實驗，我曾經高強度地做了4年，那時候我在以色列魏茲曼研究所做博士后(1998—2002)，在稀釋制冷機提供的幾十毫開爾文的極低溫環境下，研究半導體二維電子體系中電子的波粒二象性。在那段時間前后，各有幾年做了一些液氦溫度下的半導體光學測量，但是由于實驗條件的限制，真正用液氦工作的凈時間并不太多，后來更是因為液氦價格的急劇攀升，基本上不做這方面的工作了。

我和林熙是中國科學技術大學的校友，但比他早幾屆。所以，我們都在物理系的低溫物理中心做過幾次高年級物理實驗，也了解那里的工作。只是后來我轉向了，而他一直堅持在極低溫的條件下工作，無論是在美國留學期間，還是2012年回到北京大學量子材料中心工作以后。他剛回國不久，我去過他的實驗室，那次參觀給我留下了很深的印象，看得出來他是認真做實驗、做事情的人。因為我已經不做低溫實驗了，所以只是偶爾還關心一下，隔幾年會聽到一些他的消息，比如《中國科學報》最近報道(2025年5月26日)：在國家自然科學基金委員會的國家重大科研儀器研制項目“拓撲量子計算超低溫實驗儀器”支持下，北京大學量子材料科學中心教授杜瑞瑞、林熙打造了兩臺無液氦消耗的制冷機，達到了0.1mK，創造了不消耗液氦進行制冷的“干式制冷儀器”所能達到的最低溫度紀錄(圖1)。

圖1　杜瑞瑞(右)和林熙在“拓撲量子計算超低溫實驗儀器”前留影(取自《 中國科學報》，2025年5月26日)

低溫物理實驗要用到液氦，實驗條件很苛刻，而且很花錢，所以經驗很重要，很多知識和經驗都要靠周圍的人“傳幫帶”。但是如果完全靠“傳幫帶”，對課題組的要求就太高了，這里有很大的規模效應。所以，如果有課可上，有書可讀，就會方便得多——我在中國科學技術大學時也學過一些課，讀過閻守勝和陸果老師的《低溫物理實驗的原理和方法》(科學出版社，1985年)，覺得就很有幫助。2002年當我回國時，在倫敦的書店里見過懷特的那本書《低溫物理實驗技術》(

Experimental Techniques in Low-Temperature Physics

雖然我知道林熙在北京大學講授這方面的研究生課程，但我完全沒有想到他寫了《低溫實驗導論》這么兩本書。物理是實驗的科學，而實驗有很多竅門。總結前人的經驗，給出自己的建議，對于推動實驗科學發展是非常重要的。把自己的這些經驗總結下來，對所有人特別是新人會有很大幫助。他每年都在上課，這本書就是總結——這個非常不容易，因為我在這方面干過幾年，很清楚做低溫實驗的人有多忙，平時有多少事情要做。看了他的前言，我才知道為什么他竟然有時間寫書：“幸運的是，作為一位大學老師，我每天都有加班的自由。”很冷峻的幽默，隱藏得很好呀——以前我還真沒有看出來。

圖2 2025年北京大學出版社出版的《低溫實驗導論》上下冊

《低溫實驗導論》有上下兩冊(圖2)，上冊介紹了低溫實驗的基本知識及相關物理原理(上冊包括前言、第〇章和第一至三章)，下冊探討了制冷技術的發展歷程，并提供了與實驗操作相關的實用建議(第四至六章，以及附錄)。

前言寫得很好，講清楚了這本書有什么內容以及為什么要寫這本書。短短的幾頁紙，界定了低溫物理學的范圍，介紹了低溫實驗的特殊之處以及低溫實驗技術和商業化儀器設備，更重要的是，寫作這本書的緣由、目標、內容和志向，“……像科普讀物一樣為讀者提供實驗世界的地圖，……像工具書一樣成為讀者便于查閱的信息來源。”我覺得如果有可能的話，應該把這個前言放到網上，方便更廣泛的傳播。

第〇章“通往絕對零度之路”是一篇很好的科普文章，包括三個小節“不存在的永久氣體”、“永久液體和低溫之路”和“咫尺天涯”，大約40頁紙的樣子，很好地對低溫物理和低溫技術的歷史、現狀和未來進行了科普。目前，第2和第3小節已經發表在《物理》2025年第6期和第7期，肯定會幫助更多的人了解低溫物理這個領域，也方便他們知道這本書。

接下來每一章的內容，我覺得任何要做低溫研究的人，都應該認真地讀一讀，如果有條件去北京大學物理學院學習“實用低溫物理與技術入門”課程(假如你碰巧在中關村附近)，當然很好，但是這樣的課程在國內開設的并不多，許多時候只能靠課題組里的“傳幫帶”，那么這本書還真是有必要認真讀一下。至少應該知道這本書有什么內容，以后用到的話就可以去找出來。

第一章“低溫液體”關注低溫實驗工作者需要優先了解的部分低溫液體，按照液體的種類討論它們在低溫下的物性，重要是液氦(氦4，氦3，以及氦4—氦3混合液)，也包括液氮和液氫。第二章“低溫固體”按照物性的分類討論常見的低溫固體，主要討論物性與溫度的關系，為了方便查閱數據，作者歸納和整理了很多常用的低溫信息。第三章“溫度測量”主要介紹低溫下的溫度測量方法以及如何盡量準確地獲得溫度的數值，還介紹了國際單位制和國際溫標，重點解釋溫度這個單位的特殊性，以及如何獲得熱力學溫標意義上的溫度數值，作者在這里指出：“在低溫環境下準確測量溫度的難度遠遠高于第四章將介紹的如何獲得低溫環境”。

第四章“低溫制冷”討論獲得4.2 K(含)以下低溫環境的主要制冷技術，幫助低溫儀器設備的使用者和搭建者了解相關信息，強調“4.2 K以下的制冷方式有非常強的溫區針對性，因此，獲得一個極低溫環境的制冷方法需要涉及多種不同的物理原理”。第五章“輔助技術”討論低溫實驗中常用的一些輔助技術，包括真空的測量與獲取，密封和檢漏，熱交換，低溫容器，液氦和液氮的傳輸，磁體的使用、制作和保護，最后還強調了低溫實驗和安全——這是新手必須優先了解的內容。第六章“測量和設計實例”討論低溫環境下的測量，并提供一些實際設計的例子，都是作者參與過的低溫測量和設計實例，特別點出了經驗的重要性：“測量不僅依賴實驗工作者對圖像的理解和合理的設計，還依賴于雙手的具體操作，每一個小操作的細致程度都影響實驗的最終成功率和數據質量。”這一章有很多內容跟電測量有關，還有相當的篇幅講述“干式絕熱去磁制冷機”——當然與前面提到的最新進展有關。最后是附錄，包括擴展閱讀、物理量和常用物理量、數值前綴和單位換算。

林熙在低溫實驗領域擁有豐富的實踐和教學經驗，講解的方式便于低溫實驗的初學者迅速掌握相應的基礎概念和知識框架，為研究生和高年級本科生提供開展實驗研究所需的儲備知識。這本書還包含很多低溫材料性能方面的數據，便于經驗豐富的科學家和工程師參考。

這本書的參考文獻很多(但是中文書只有9本，除了前面提到的《低溫物理實驗的原理和方法》，我只讀過張裕恒老師的《超導物理》)，還有很多的圖表(443張自繪圖和138張表格)。許多來自不同文獻的數據，作者把它們抽取出來，然后重新繪制在一張圖上，這樣不僅看起來美觀，更方便讀者查閱比較。

書中還有很多具體的建議，比如說，第186頁講怎么增加熱導的時候，他說：“我不推薦在極低溫度下使用真空油脂，因為真空油脂本身是絕緣體，它讓界面變差。”也有作者的固執，“制冷指‘refrigeration’，它以前在中文環境中也被稱為‘致冷’，考慮到我們如今的稱呼和書寫習慣，本書統一采用‘制冷’”。這讓我想起金庸小說《白馬嘯西風》的結尾：“那都是很好很好的，可是我偏不喜歡。

當然，我覺得這本書也有一些可以改進的地方。內容摘要應該更詳細一些，稍微講一下每章有哪些內容。其實現在的每章開頭，已經有很好的總結，把它們匯總一下就可以。另外，文字表達方面，似乎沒必要用很多被動語態——“雖然本章所涉及的物理相對簡單，但它們值得被我們額外關注”，可以說“它們值得額外關注”；“它在室溫下被搭建，卻主要在低溫環境下被使用”，也完全可以說“它在室溫下搭建，卻主要在低溫環境下使用”。

在《低溫物理實驗的原理和方法》出版40周年之際，《低溫實驗導論》出版了。這標志著我國在低溫物理和低溫技術領域有了巨大的進步，不僅體現在超導量子計算的前沿研究方面，以及自主研制稀釋制冷機的基礎技術方面，還體現在總結教學和實踐經驗的教材方面。我看到北京大學出版的“基礎課序列”教材里，已經有很多書都是第二版了，我也希望林熙這本書將來也會有第二版乃至第三版，就算每二十年更新一次，也是完全沒有問題的嘛。

《物理》50年精選文章