淺談低溫材料：探秘深冷環境中的物質行為

|作 者：周正榮1,2 趙玉強1 黃榮進1,?

(1 中國科學院理化技術研究所）

(2 中國電子科技集團公司第四十八研究所)

本文選自《物理》2025年第12期

摘要低溫物理學與材料科學的交叉融合正在推動一系列顛覆性技術的突破。文章系統探討了材料在低溫環境下的獨特行為，聚焦超導材料、低溫電阻特性材料、負熱膨脹材料和低溫結構材料等領域的研究進展。通過深入分析這些材料在極端低溫條件下的性能表現及其在能源存儲、航天技術、醫療設備等領域的創新應用，揭示了低溫物性研究的重大科學意義和工程價值。最后展望低溫材料研究的未來發展趨勢，包括智能化設計、多功能復合化等方向。

關鍵詞低溫物理，超導材料，熱敏電阻，負熱膨脹，力學性能

1引 言

在人類追求科技極限的征程中，低溫環境已成為不可或缺的實驗舞臺。一談到低溫物理，總繞不開“超導”這一概念。1908年，荷蘭萊頓大學昂內斯實現了“最后一個氣體”——氦氣的液化，獲得了1.5 K左右的低溫，并于1911年首次觀察到汞在4.2 K時電阻突然消失的現象，這些發現不僅揭開了超導研究的序幕，也標志著現代低溫物理學的誕生[1]。從早期的超導現象到現代的量子計算，低溫技術與材料科學相互促進，共同推動著新一輪的科技革命。

根據溫度范圍，低溫領域通常劃分為普冷區(環境溫度到120 K)和深冷區(120 K到絕對零度)。這種劃分不僅反映了制冷技術的差異，更體現了材料在不同溫區行為的本質區別。在低溫環境下，材料展現出許多常溫下無法觀察到的奇異特性：某些金屬電阻完全消失，成為“超導體”；絕緣材料的導熱性能可能發生數量級的變化；一些特殊合金會出現“熱縮冷脹”的反常行為。

這些奇特現象的背后，是低溫對材料微觀世界的深刻影響。隨著溫度降低，原子熱振動減弱，電子運動狀態改變，量子效應開始顯現。理解這些變化不僅具有基礎科學意義，更為新型功能材料的開發提供了可能。例如，超導材料的零電阻特性為無損耗電力傳輸帶來了希望；低溫熱敏材料的高靈敏度使其成為精密測量的理想選擇；而特殊合金在低溫下的優異力學性能則滿足了航空航天等領域的苛刻需求。

中國在低溫材料領域已經涌現出許多亮眼的創新性成果。例如，上海超導中心建成的35 kV/1.5 kA超導電纜示范工程，累計運行超過10000小時無故障；“嫦娥五號”月球采樣器采用自主研制的低溫潤滑材料，在-180℃環境下工作正常；高能同步輻射光源的低溫永磁波蕩器磁體系統全部實現國產化，場強精度達0.01%。但是，低溫材料領域仍存在諸多不足，例如部分關鍵低溫材料仍依賴進口(如極低溫區熱敏電阻)，極端環境下的材料失效機制研究不足，以及缺乏統一的低溫材料測試標準等。

本文將帶領讀者展開一場材料的低溫之旅，從超導材料的奇妙世界，到熱敏電阻的溫度感知，再到熱膨脹材料的“反常識”行為，最后探討這些材料如何支撐起現代科技的低溫夢想。在這場旅程中，我們不僅會看到科學原理的精妙，更將領略人類智慧的偉大。

2超導材料：零電阻的量子奇跡

超導現象是凝聚態物理中最迷人的量子效應之一。超導材料自20世紀初被發現以來，因其獨特的零電阻和完全抗磁性特性，一直是物理學和材料科學研究的前沿領域。從最初的金屬合金低溫超導到銅氧化物高溫超導，再到近年來不斷發展的鐵基、鎳基和拓撲超導材料，超導研究經歷了波瀾壯闊的發展歷程。

超導現象的發展史跨越了近一百多年，其間涌現出一系列意外發現、理論突破和材料創新。回顧這段歷程，可以清晰地看到人類對超導現象的理解如何一步步深入，以及超導材料如何從實驗室走向實際應用。

自1911年昂內斯觀察到電阻突然消失現象后的數十年間，科學家們陸續發現了鉛、錫、鈮等多種元素超導體，但它們的臨界溫度極低，需要昂貴的液氦冷卻，嚴重限制了實際應用。1957年，巴丁、庫珀和施里弗提出了著名的BCS理論，首次從微觀層面成功解釋了低溫超導現象的物理機制。BCS理論認為，電子通過與晶格振動相互作用形成“庫珀對”，這些玻色子對的相干凝聚導致超導現象的產生。這一理論突破極大地推動了超導研究的發展。在材料方面，1950—1960年代發現的A15結構超導體(如Nb3Sn)將臨界溫度提升至18 K，而1973年發現的Nb3Ge更是將臨界溫度紀錄刷新到23.2 K。1986年，IBM蘇黎世研究中心的科學家發現了銅氧化物超導體，標志著高溫超導時代的來臨。這類材料很快展現出遠超傳統超導體的臨界溫度，其中1987年發現的釔鋇銅氧(YBCO)體系的臨界溫度達到90 K以上，突破了液氮溫區(77 K)的壁壘。這是一個歷史性的 突破，因為液氮的成本僅為液氦的1/100左右，極大地降低了超導應用的冷卻成本。此后，科學家們又相繼發現了鉍鍶鈣銅氧(BiSrCaCuO，簡寫BSCCO)、鉈鋇鈣銅氧和汞鋇鈣銅氧等系列高溫超導材料，將臨界溫度紀錄不斷提升。進入21世紀后，超導家族增添了新成員。2001年，日本科學家發現了二硼化鎂(MgB2)超導體，其臨界溫度約為39 K。雖然仍需要低溫冷卻，但MgB2具有簡單的晶體結構和較高的臨界電流密度，在特定應用中顯示出價值。2008年，日本科學家細野秀雄團隊發現了鐵基超導體，中國科學家隨后在這方面做出了突出貢獻，將塊材鐵基超導體的臨界溫度提升至55 K。鐵基超導體的發現尤為重要，因為它打破了當時認為鐵磁性元素不利于超導的傳統觀念。

回望超導材料的百年發展史，從最初的簡單金屬元素材料到復雜的氧化物陶瓷，從需要液氦冷卻的低溫超導到可用液氮冷卻的高溫超導，每一步突破都凝聚著科學家的智慧和汗水。這一歷程并非一帆風順，而是充滿了理論的挑戰、材料的困境和技術的障礙，但正是這些波折推動著超導研究不斷向前發展。

目前，超導材料可分為低溫超導材料(如NbTi、Nb3Sn等)[2]和高溫超導材料(如YBCO、BSCCO等)[3]，如表1所示。需要強調的是，臨界電流密度強烈依賴于溫度和外加磁場。

表1　典型超導材料的性能參數與應用比較

在這幾種材料中，NbTi是中低磁場下可靠耐用的主力，性價比最高；Nb3Sn是高磁場下的性能王者，但質地脆且制備復雜；YBCO是目前最具競爭力的解決方案，在液氦溫度下的極強磁場中性能表現極佳，代表著未來發展方向；BSCCO作為高溫超導先行者，其性能在磁場中衰減較快，優勢不再明顯；而MgB2則是低磁場、較高溫度下的性價比之選，成本低廉但抗磁場能力弱。傳統低溫超導體的臨界溫度通常在20 K以下，需要昂貴的液氦(沸點4.2 K)冷卻；而部分銅氧化物高溫超導體則可以在液氮溫度(77 K)下工作，大大降低了應用成本。近年來，氫化物超導體在高壓下的臨界溫度已接近室溫，為實現室溫超導帶來了希望。圖1展示了傳統的超導材料和最新研究的超導材料的臨界溫度[4，5]。根據磁通量穿透行為，超導材料可分為I類和II類。I類超導體(如純金屬Pb、Hg)具有一個明確的臨界磁場，超過后超導態突然消失；而II類超導體(如NbTi、YBCO)具有兩個臨界磁場，在下臨界場之上允許磁通量以量子化渦旋形式部分穿透，在上臨界場之下仍能保持零電阻態，這一特性使其具有更廣泛的應用前景[6]。超導材料的三個關鍵參數：臨界溫度(

T

H

J

圖1　不同超導材料臨界溫度(

T

高溫超導材料的物理機制至今仍是凝聚態物理領域的重大科學問題。傳統的BCS理論難以完全解釋高溫超導現象，目前普遍認為電子體系的強關聯效應在高溫超導中起著關鍵作用。高溫超導體通常具有層狀晶體結構和較強的反鐵磁漲落，理解高溫超導微觀機制不僅對超導應用有重要意義，也是當代物理學面臨的一大挑戰。

超導材料的獨特性質使其在多個領域展現出巨大潛力[4，7]。(1)磁共振成像(MRI)：超導磁體可產生穩定強磁場(通常1.5—3 T)，是醫學診斷的重要工具[8]。與傳統電磁鐵相比，超導MRI不僅磁場強度高，而且均勻性和穩定性極佳， 大大提高了成像質量。(2)粒子加速器：歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)使用了約7600公里的NbTi超導線，產生8.3 T的磁場將質子加速到接近光速。超導磁體的高場強特性使加速器尺寸和能耗大幅降低。(3)電力傳輸：超導電纜理論上可實現零損耗輸電。2021年，中國在深圳投運的10千伏超導直流電纜示范工程，輸電容量達43兆瓦，相當于同級常規電纜的5倍。(4)磁懸浮交通：日本山梨磁懸浮試驗線采用超導磁體，創造了603 km/h的載人列車速度紀錄。中國正在建設的600 km/h高速磁浮交通系統也將采用高溫超導技術。(5)量子計算：超導量子比特是目前最有希望實現實用化量子計算的物理體系之一。Google的“懸鈴木”處理器和中國的“祖沖之號”都基于超導電路，實現了“量子優越性”。

盡管前景廣闊，超導材料仍面臨諸多挑戰。臨界溫度提升、制備工藝優化、磁場穩定性增強以及長期可靠性等問題亟待解決。隨著材料設計和制備技術的進步，超導材料正從實驗室走向大規模應用。未來，室溫超導的實現可能會引發能源、交通、醫療等領域的革命性變革，而中國科學家在這一領域的持續創新將為人類科技進步做出重要貢獻。

3低溫電阻—溫度特性材料：寒境中的“感知精靈”

隨著低溫物理學、超導技術、深空探索及精密實驗等領域的發展日益迅速，在眾多科學研究和工業應用中，溫度的精準控制與監測變得越來越關鍵[9]。低溫溫度傳感器的發展經歷了從傳統分立式傳感器到智能集成化的演變，以滿足航天、量子計算等領域對極低溫、高精度、強磁場等極端環境下的測溫需求。目前，常見的低溫溫度傳感器如表2所示。直接使用“電阻”特性來測溫的溫度傳感器，通常是在基底鍍上熱敏電阻薄膜，然后封裝成溫度傳感器，比如鉑金電阻器、金屬膜、氮化物膜及氧化物膜等。需要指出，硅二極管是一個特例，它不直接使用“電阻”而是使用“結電壓”來測溫，電壓與溫度成負相關關系。

表2　典型低溫溫度傳感器的性能比較

在極低溫測量領域，負溫度系數(NTC)熱敏電阻材料扮演著不可替代的角色，這類材料的電阻隨溫度升高而呈指數下降，它們是液氮或液氦溫區溫度檢測的理想選擇[10，11]。表2中，RuO2厚膜和ZrO

y

其中，

R

T

T

R

B

T

低溫薄膜溫度傳感器因其快速響應、高靈敏度和小尺寸等特點，已成為低溫物理研究和工程應用的關鍵器件。其中，氮化鋯(ZrN)和氮氧化鋯(ZrO

y

y

低溫溫度傳感器面臨著極端環境的嚴峻考驗，首先是工作于極低溫環境，在mK級極低溫區，傳感器的自熱效應不容忽視；其次是強磁場干擾，在核磁共振、聚變裝置等場景中，高磁場會使常規傳感器失效；此外，若是應用在衛星和深空探測器中，傳感器還需承受劇烈振動和宇宙射線。研究人員積極解決以上困難，例如，采用微納米加工技術制備的微型傳感器(如RuO2厚膜)功耗可低至nW級，滿足稀釋制冷機的測溫需求；采用特殊材料(如銠鐵電阻)和對稱電路設計，可將磁場影響降至最低；通過微型化堅固設計抵御振動，采用抗輻射材料與電路應對宇宙射線，并經過嚴格的地面模擬試驗驗證，確保傳感器在太空極端環境下的可靠性。

隨著量子科技、深空探測等前沿領域的發展，對低溫溫度測量的要求日益提高。未來趨勢包括開發室溫至mK溫區工作的單一傳感器，通過智能算法提升測量精度和可靠性，以期進一步推動人類探索極端環境的邊界。

4負熱膨脹材料：低溫下的“反常識”行為

大多數材料遵循“熱脹冷縮”的基本規律，但有一類材料卻表現出完全相反的行為——溫度降低時膨脹，升高時收縮，這種現象稱為負熱膨脹(negative thermal expansion，NTE)。1897年，物理學家Ferdinand Braun在觀測硫化銀的電學性質時，偶然發現了這一反常現象，但當時并未引起足夠重視。

直到20世紀90年代，隨著精密儀器和低溫技術的發展，對材料尺寸穩定性的要求越來越高，負熱膨脹材料才開始受到廣泛關注。典型的負熱膨脹材料包括鎢酸鋯(ZrW2O8)、氰化物(如Zn(CN)2)以及某些金屬有機框架化合物(MOFs)[13]，如表3所示。這些材料在特定溫度范圍內表現出顯著的負熱膨脹系數，如ZrW2O8在0.3—1050 K范圍內的平均線膨脹系數高達-8.7×10-6/K。

表3　典型負熱膨脹材料的性能與應用

負熱膨脹現象的微觀機理復雜多樣，主要可分為以下幾種類型[14]。(1)橫向振動機制：在具有鏈狀或層狀結構的材料中，原子橫向振動會導致整體尺寸收縮。例如，在ZrW2O8中，WO4四面體的橫向振動拉近了Zr原子間距，導致宏觀收縮。(2)低能激發態效應：某些材料中存在特殊的電子或磁激發態，隨著溫度升高會占據更多體積，導致晶格收縮。典型的例子是磁性材料La(Fe,Si)13在居里溫度附近表現出的巨負熱膨脹[15，16]。(3)相變誘導效應：材料在相變過程中可 能伴隨體積突變。例如，中國科學家在Mn3Cu0.5Ge0.5N中觀察到壓力誘導的體積收縮達5%，為設計新型負熱膨脹材料提供了新思路[17]。

近些年來，通過精心設計的微觀結構對宏觀性能進行調控是常見的調控材料物性的手段，這種材料被稱為“超材料”，是一類具有天然材料所不具備的特殊物理性質的人工復合結構或復合材料。負熱膨脹超材料主要通過微結構的細微調整達到體積收縮的目的。負熱膨脹超材料主要包括彎曲主導型和拉伸主導型兩類。彎曲主導型通過不同組分熱膨脹差異誘發微結構彎曲，從而驅動宏觀收縮。根據結構特征的不同，彎曲主導型負熱膨脹超材料又可細分為條帶結構、手性結構、內凹結構等。而拉伸/壓縮主導型則借助剛性單元的幾何協調變形，將材料的熱膨脹轉化為結構的整體向內匯聚。根據結構特征的不同，拉伸主導型負熱膨脹超材料亦可細分為三角形結構、四面體結構、八面體結構等。圖2展示了一些典型的負熱膨脹超材料結構[18]。

圖2　典型的負熱膨脹超材料結構[18]

在深低溫領域(一般指液氫沸點(約20.3 K)及以下溫區)，材料的熱膨脹行為對設備性能有著至關重要的影響。例如，(1)太空望遠鏡：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的鏡面在40 K工作溫度下，尺寸穩定性要求達到納米級。通過將碳纖維復合材料與負熱膨脹填料復合，解決了溫度變化導致的焦距漂移問題。(2)超導磁體：Nb3Sn超導線圈在冷卻到4.2 K時會收縮約0.2%，可能導致絕緣層破裂。需要采用負熱膨脹涂層有效補償這種應變，提高磁體可靠性。(3)量子計算芯片：超導量子比特對基底材料的尺寸穩定性極為敏感。例如，IBM研發的“鷹”處理器采用定制熱膨脹系數的硅基材料，將比特頻率漂移控制在百萬分之一以下。

隨著低溫技術的發展，負熱膨脹材料正從實驗室走向工業化應用。未來趨勢包括開發兼具負熱膨脹和高導熱的多功能材料，利用機器學習預測新型負熱膨脹化合物，以及設計自適應溫區的智能復合材料等。這些創新將進一步推動低溫工程和精密儀器的發展。

5低溫結構材料：堅固的低溫脊梁

低溫結構材料是指那些專為在低溫環境下工作而設計，具備特定機械特性的材料。根據實際應用場景的不同，所選用的材料類型也會有所變化。這類材料涵蓋了金屬、合金、復合材料等多種類型，如表4所示。

表4　典型低溫結構材料的性能比較

低溫環境對材料的力學性能具有深刻影響，其核心特征可歸納為“兩升兩降”：強度與硬度提升，而韌性與延性下降。這一根本變化源于低溫抑制了原子熱振動，減少了位錯等晶體缺陷的活動能力。具體而言，其主要影響體現在以下幾個方面。

(1)強度與硬度的提升：隨著溫度降低，原子熱振動能量減弱，晶格阻力增大，這使得位錯運動變得困難，宏觀上表現為材料的屈服強度和抗拉強度顯著提高。

(2)韌性與延性的降低：這是低溫環境下最值得關注的風險，溫度降低將使材料從韌性狀態向脆性狀態轉變。其中，韌脆轉變溫度是衡量材料低溫適用性的關鍵指標。低于此溫度，材料在斷裂前幾乎不發生塑性變形，易發生災難性的脆性斷裂。

(3)疲勞與沖擊行為復雜化：低溫一方面因抑制塑性變形而可能延緩疲勞裂紋的萌生，從而延長高周疲勞壽命；但另一方面，材料韌性的下降也使其對裂紋和缺口的敏感性增加，可能導致低周疲勞和沖擊韌性惡化。

例如，在極低溫下，316L不銹鋼的應力—應變曲線會出現如圖3所示的鋸齒狀波動[19]，這種現象在學術上被稱為“鋸齒流變”或“Portevin-Le Chatelier (PLC)效應”。但這并非材料即將脆斷的簡單信號，而是揭示了低溫環境下塑性變形過程變得極不穩定。鋸齒的每一次“應力驟降”都對應著位錯的突然大規模滑移，這會導致變形高度集中在某個狹窄的剪切帶內。這種不均勻的局部化變形極易在該處引發微裂紋的形核，成為脆性斷裂的起源點。

圖3 316L合金在室溫和15 K時的力學行為(拉伸應力應變曲線)[19]

因此，在低溫工程設計與材料選擇中，核心任務在于平衡強度與韌性。必須選用低韌脆轉變溫度的高韌性材料(如奧氏體不銹鋼、鎳基合金、特定鋁合金及鈦合金)，并在結構設計中避免應力集中，以預防脆性斷裂的發生。

低溫結構材料的發展史緊密追隨人類對極寒環境的探索步伐，其演進歷程可清晰地劃分為以下幾個關鍵階段。18世紀，科學家如法拉第通過氣體液化實驗開啟了低溫研究的大門，但當時對材料在低溫下的力學行為尚缺乏系統認知。直至19世紀末20世紀初，一系列船舶、橋梁在寒冷環境下的脆性斷裂事故，才首次深刻暴露出材料低溫脆化的嚴峻問題，從而正式推動了相關研究。20世紀初，通過降低碳含量(從0.6%逐步降至0.18%)，低合金鋼的焊接性與低溫韌性得到改善，成為早期低溫結構的主力。隨后，鎳系低溫鋼被開發出來，鎳含量的增加顯著提升了材料在-40 ℃至-196 ℃溫區的韌性，使之成為液氮儲罐等設備的關鍵材料。20世紀50年代，為滿足液氫(-252 ℃)火箭推進劑儲箱的需求，蘇聯開發了OT4、BT5-1等低鋁鈦合金，美國則研制出綜合性能優異的Ti-6Al-4V合金。鈦合金憑借其低密度、高比強度和優異的低溫韌性，自此成為航空航天低溫裝備的標志性材料。自1935年起，系統的金屬材料低溫疲勞試驗逐步展開。至1970年代，研究進一步拓展至裂紋擴展速率和韌脆轉變機理，揭示了低溫下材料塑性變形阻力增加但疲勞壽命可能降低的復雜現象。研究表明，鈦合金在低溫下可能出現解理斷裂，而奧氏體不銹鋼則因相變(如ε-馬氏體形成)表現出異常加工硬化。20世紀90年代至今，C/C復合材料、陶瓷基復合材料等因兼具耐超高溫與低溫穩定性，被廣泛應用于航天器熱防護系統。例如，通過添加氧化石墨烯優化界面的碳纖維/環氧樹脂基復合材料，能更好地適應深冷環境的熱膨脹差異。同時，深冷處理工藝得到大力發展，該技術通過液氮深冷(-196 ℃)來細化金屬晶粒、提升位錯密度，從而顯著強化材料，如使TC4鈦合金的抗拉強度提升10%以上。

在眾多低溫結構材料中，低溫鋼因其具有卓越的抗脆性和高強度特性而被廣泛采用。通常情況下，普通鋼材在低溫條件下性能不理想，特別是在強度和韌性方面表現不佳。低溫會導致鋼材內部晶格收縮和原子活動減弱，進而使材料變得更加脆弱，容易發生脆性斷裂。為此，低溫鋼通過精心設計其合金組成與熱處理工藝來確保即使在極端低溫環境下也能保持良好的性能[20]。通過調整這些元素的比例、晶體結構以及熱處理方法，可以極大增強鋼材在低溫條件下的表現[21]。例如，適量的鈦與鋁的存在能細化晶粒并進一步增強鋼材的強度，適當調節這兩種元素的比例，可以優化鋼材在低溫狀態下的微觀結構，從而進一步提升其機械性能。

由于具有優秀的機械屬性、化學穩定性和良好的加工特性，環氧樹脂也是一種低溫領域內作為絕緣、支撐及保護用途的低溫結構材料，被廣泛用于航天、核工業、超導技術和深冷工程等領域。環氧樹脂是一種由環氧基團與多官能團交聯劑經固化反應制備而成的聚合物材料，該材料能夠與多種基材(如金屬、陶瓷、玻璃、纖維等)形成穩固的粘接界面。為了適應低溫條件下的應用需求，通常需要對環氧樹脂基材料進行改性或復合化處理以增強其綜合性能。當前改性途徑有幾種主流方案。首先，韌性改進：在低溫環境下，環氧樹脂表現出較高的脆性，這一問題可以通過引入柔性組分或第二相來解決，如添加超支化聚合物或加入丁腈橡膠(CTBN)、液體硅橡膠等形成微米級相分離結構，從而顯著改善低溫韌性；或者摻入聚醚砜(PES)等熱塑性材料，利用物理纏結機制加強基體韌性；其次，還可以通過加入氧化石墨烯、碳納米管、碳纖維或納米硅顆粒來提升材料的抗沖擊性和斷裂韌性[22]。最近，中國科學院理化技術研究所研制出一種新型韌性環氧樹脂IR-3，如圖4所示。經過中國科學院高能物理研究所實驗鑒定，當在5 T和10 T的外場中以4.2 K充電時，IR-3浸漬的REBCO線圈避免了性能下降問題，并具有優異的電穩定性[23]。這證明IR-3具有優異的低溫性能，是一種很有前途的高場線圈浸漬材料。此外，調整熱膨脹系數：當環氧樹脂基復合材料與金屬或陶瓷等在低溫環境中接觸時，由于它們之間熱膨脹系數差異大，容易導致界面處出現裂紋。為此，研究者們嘗試通過混入玻璃纖維或碳纖維等填充物減少環氧樹脂的熱膨脹系數并提高尺寸穩定性[24]；另一種方法是設計功能梯度材料，利用層次化的結構實現熱膨脹系數的漸變匹配。最后，強化耐輻射性能：在核能及航天領域，還需特別關注輻射損傷對環氧樹脂性能的影響。通過向體系中添加抗輻射成分(例如稀土氧化物或多環芳烴)，可以有效提高材料抵抗輻射的能力。

圖4　環氧樹脂浸漬超導線圈，圖中黃色透明材料為環氧樹脂[23]

當前，低溫結構材料研究的重點領域主要包括：(1)致力于新型材料體系的研發，旨在拓寬其在低溫條件下的應用范圍，尤其是在提高材料強度、韌性和耐用性方面；(2)復合材料在低溫條件下展現出的機械特性日益受到重視，特別是那些需要滿足高強度、低膨脹系數及良好抗沖擊性的應用場景；(3)納米技術的應用對于改善低溫材料的機械屬性具有顯著潛力[25]。通過引入納米結構來增強材料的抗脆斷能力，并進一步提升其強度與韌性，這將為低溫技術領域帶來一系列創新解決方案。

6總結與展望

本文介紹了物質在極端低溫條件下的奇妙行為，從源于電子庫珀對凝聚的超導態，到由橫向振動或磁致伸縮驅動的負熱膨脹行為；從載流子濃度急劇變化所致的靈敏溫阻特性，再到位錯運動受抑帶來的韌性、強度協同提升，共同構成了低溫材料物性的多元圖像。這些發現不僅豐富了我們對物質世界的認識，更為技術革新提供了無限可能。低溫材料研究正呈現出多學科深度交叉融合的趨勢。材料基因組計劃通過高通量計算和實驗，加速新型低溫材料的發現。例如，哈佛大學團隊利用機器學習算法，從數百萬種可能組合中預測出新型超導氫化物。中國科學家開發的“材料科學大數據平臺”已收錄超過10萬種材料的低溫性能數據，為人工智能輔助設計提供了堅實基礎。

在接近絕對零度的極低溫區，量子效應主導材料行為。目前拓撲超導體、量子自旋液體等新奇量子態材料成為研究熱點。例如，在二維材料中觀察到分數陳絕緣體態，為實現容錯量子計算提供了新平臺。這些量子材料不僅具有重大基礎科學意義，也可能帶來顛覆性的技術變革。此外，傳統低溫技術依賴液氦等稀缺資源，能耗高且不可持續，最近新型磁制冷、熱聲制冷等固態制冷技術正取得突破。例如，磁制冷材料Gd基合金在近室溫區表現出巨磁熱效應，制冷效率可達卡諾循環的60%[26]。另外，極端低溫環境的地面模擬和材料行為預測對太空探索也至關重要，中國已建成可模擬-269—150℃溫度循環、強輻射和超高真空的綜合環境模擬裝置。

正如著名物理學家費曼所說：“底層空間還很大”。隨著量子科技、聚變能源、深空探測等國家重大戰略需求的推進，低溫材料研究將迎來前所未有的發展機遇。中國科學家正從跟蹤模仿走向原創引領，在低溫材料這一“冷”門領域不斷產出“熱”點成果，為人類探索極端環境、突破科技極限提供關鍵材料支撐。

致 謝感謝中國科學院理化技術研究所黃傳軍研究員、顏吉祥博士、張泓瑋博士以及項月博士的討論。

應用物理專題

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《物理》50年精選文章