浅谈低温材料：探秘深冷环境中的物质行为|低温材料|室温|深冷环境|热膨胀|物质行为|超导体|铁基|高温

|作者：周正荣1,2 赵玉强1 黄荣进1,†

(1 中国科学院理化技术研究所）

(2 中国电子科技集团公司第四十八研究所)

本文选自《物理》2025年第12期

摘要低温物理学与材料科学的交叉融合正在推动一系列颠覆性技术的突破。文章系统探讨了材料在低温环境下的独特行为，聚焦超导材料、低温电阻特性材料、负热膨胀材料和低温结构材料等领域的研究进展。通过深入分析这些材料在极端低温条件下的性能表现及其在能源存储、航天技术、医疗设备等领域的创新应用，揭示了低温物性研究的重大科学意义和工程价值。最后展望低温材料研究的未来发展趋势，包括智能化设计、多功能复合化等方向。

关键词低温物理，超导材料，热敏电阻，负热膨胀，力学性能

1引言

在人类追求科技极限的征程中，低温环境已成为不可或缺的实验舞台。一谈到低温物理，总绕不开“超导”这一概念。1908年，荷兰莱顿大学昂内斯实现了“最后一个气体”——氦气的液化，获得了1.5 K左右的低温，并于1911年首次观察到汞在4.2 K时电阻突然消失的现象，这些发现不仅揭开了超导研究的序幕，也标志着现代低温物理学的诞生[1]。从早期的超导现象到现代的量子计算，低温技术与材料科学相互促进，共同推动着新一轮的科技革命。

根据温度范围，低温领域通常划分为普冷区(环境温度到120 K)和深冷区(120 K到绝对零度)。这种划分不仅反映了制冷技术的差异，更体现了材料在不同温区行为的本质区别。在低温环境下，材料展现出许多常温下无法观察到的奇异特性：某些金属电阻完全消失，成为“超导体”；绝缘材料的导热性能可能发生数量级的变化；一些特殊合金会出现“热缩冷胀”的反常行为。

这些奇特现象的背后，是低温对材料微观世界的深刻影响。随着温度降低，原子热振动减弱，电子运动状态改变，量子效应开始显现。理解这些变化不仅具有基础科学意义，更为新型功能材料的开发提供了可能。例如，超导材料的零电阻特性为无损耗电力传输带来了希望；低温热敏材料的高灵敏度使其成为精密测量的理想选择；而特殊合金在低温下的优异力学性能则满足了航空航天等领域的苛刻需求。

中国在低温材料领域已经涌现出许多亮眼的创新性成果。例如，上海超导中心建成的35 kV/1.5 kA超导电缆示范工程，累计运行超过10000小时无故障；“嫦娥五号”月球采样器采用自主研制的低温润滑材料，在-180℃环境下工作正常；高能同步辐射光源的低温永磁波荡器磁体系统全部实现国产化，场强精度达0.01%。但是，低温材料领域仍存在诸多不足，例如部分关键低温材料仍依赖进口(如极低温区热敏电阻)，极端环境下的材料失效机制研究不足，以及缺乏统一的低温材料测试标准等。

本文将带领读者展开一场材料的低温之旅，从超导材料的奇妙世界，到热敏电阻的温度感知，再到热膨胀材料的“反常识”行为，最后探讨这些材料如何支撑起现代科技的低温梦想。在这场旅程中，我们不仅会看到科学原理的精妙，更将领略人类智慧的伟大。

2超导材料：零电阻的量子奇迹

超导现象是凝聚态物理中最迷人的量子效应之一。超导材料自20世纪初被发现以来，因其独特的零电阻和完全抗磁性特性，一直是物理学和材料科学研究的前沿领域。从最初的金属合金低温超导到铜氧化物高温超导，再到近年来不断发展的铁基、镍基和拓扑超导材料，超导研究经历了波澜壮阔的发展历程。

超导现象的发展史跨越了近一百多年，其间涌现出一系列意外发现、理论突破和材料创新。回顾这段历程，可以清晰地看到人类对超导现象的理解如何一步步深入，以及超导材料如何从实验室走向实际应用。

自1911年昂内斯观察到电阻突然消失现象后的数十年间，科学家们陆续发现了铅、锡、铌等多种元素超导体，但它们的临界温度极低，需要昂贵的液氦冷却，严重限制了实际应用。1957年，巴丁、库珀和施里弗提出了著名的BCS理论，首次从微观层面成功解释了低温超导现象的物理机制。BCS理论认为，电子通过与晶格振动相互作用形成“库珀对”，这些玻色子对的相干凝聚导致超导现象的产生。这一理论突破极大地推动了超导研究的发展。在材料方面，1950—1960年代发现的A15结构超导体(如Nb3Sn)将临界温度提升至18 K，而1973年发现的Nb3Ge更是将临界温度纪录刷新到23.2 K。1986年，IBM苏黎世研究中心的科学家发现了铜氧化物超导体，标志着高温超导时代的来临。这类材料很快展现出远超传统超导体的临界温度，其中1987年发现的钇钡铜氧(YBCO)体系的临界温度达到90 K以上，突破了液氮温区(77 K)的壁垒。这是一个历史性的突破，因为液氮的成本仅为液氦的1/100左右，极大地降低了超导应用的冷却成本。此后，科学家们又相继发现了铋锶钙铜氧(BiSrCaCuO，简写BSCCO)、铊钡钙铜氧和汞钡钙铜氧等系列高温超导材料，将临界温度纪录不断提升。进入21世纪后，超导家族增添了新成员。2001年，日本科学家发现了二硼化镁(MgB2)超导体，其临界温度约为39 K。虽然仍需要低温冷却，但MgB2具有简单的晶体结构和较高的临界电流密度，在特定应用中显示出价值。2008年，日本科学家细野秀雄团队发现了铁基超导体，中国科学家随后在这方面做出了突出贡献，将块材铁基超导体的临界温度提升至55 K。铁基超导体的发现尤为重要，因为它打破了当时认为铁磁性元素不利于超导的传统观念。

回望超导材料的百年发展史，从最初的简单金属元素材料到复杂的氧化物陶瓷，从需要液氦冷却的低温超导到可用液氮冷却的高温超导，每一步突破都凝聚着科学家的智慧和汗水。这一历程并非一帆风顺，而是充满了理论的挑战、材料的困境和技术的障碍，但正是这些波折推动着超导研究不断向前发展。

目前，超导材料可分为低温超导材料(如NbTi、Nb3Sn等)[2]和高温超导材料(如YBCO、BSCCO等)[3]，如表1所示。需要强调的是，临界电流密度强烈依赖于温度和外加磁场。

表1　典型超导材料的性能参数与应用比较

在这几种材料中，NbTi是中低磁场下可靠耐用的主力，性价比最高；Nb3Sn是高磁场下的性能王者，但质地脆且制备复杂；YBCO是目前最具竞争力的解决方案，在液氦温度下的极强磁场中性能表现极佳，代表着未来发展方向；BSCCO作为高温超导先行者，其性能在磁场中衰减较快，优势不再明显；而MgB2则是低磁场、较高温度下的性价比之选，成本低廉但抗磁场能力弱。传统低温超导体的临界温度通常在20 K以下，需要昂贵的液氦(沸点4.2 K)冷却；而部分铜氧化物高温超导体则可以在液氮温度(77 K)下工作，大大降低了应用成本。近年来，氢化物超导体在高压下的临界温度已接近室温，为实现室温超导带来了希望。图1展示了传统的超导材料和最新研究的超导材料的临界温度[4，5]。根据磁通量穿透行为，超导材料可分为I类和II类。I类超导体(如纯金属Pb、Hg)具有一个明确的临界磁场，超过后超导态突然消失；而II类超导体(如NbTi、YBCO)具有两个临界磁场，在下临界场之上允许磁通量以量子化涡旋形式部分穿透，在上临界场之下仍能保持零电阻态，这一特性使其具有更广泛的应用前景[6]。超导材料的三个关键参数：临界温度(

T

c )、临界磁场(

H

c )和临界电流密度(

J

c )，共同决定了其应用范围。通过材料工程优化这些参数是当前研究的热点。

图1　不同超导材料临界温度(

T

c )和压力的关系图 [4，5]

高温超导材料的物理机制至今仍是凝聚态物理领域的重大科学问题。传统的BCS理论难以完全解释高温超导现象，目前普遍认为电子体系的强关联效应在高温超导中起着关键作用。高温超导体通常具有层状晶体结构和较强的反铁磁涨落，理解高温超导微观机制不仅对超导应用有重要意义，也是当代物理学面临的一大挑战。

超导材料的独特性质使其在多个领域展现出巨大潜力[4，7]。(1)磁共振成像(MRI)：超导磁体可产生稳定强磁场(通常1.5—3 T)，是医学诊断的重要工具[8]。与传统电磁铁相比，超导MRI不仅磁场强度高，而且均匀性和稳定性极佳，大大提高了成像质量。(2)粒子加速器：欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)使用了约7600公里的NbTi超导线，产生8.3 T的磁场将质子加速到接近光速。超导磁体的高场强特性使加速器尺寸和能耗大幅降低。(3)电力传输：超导电缆理论上可实现零损耗输电。2021年，中国在深圳投运的10千伏超导直流电缆示范工程，输电容量达43兆瓦，相当于同级常规电缆的5倍。(4)磁悬浮交通：日本山梨磁悬浮试验线采用超导磁体，创造了603 km/h的载人列车速度纪录。中国正在建设的600 km/h高速磁浮交通系统也将采用高温超导技术。(5)量子计算：超导量子比特是目前最有希望实现实用化量子计算的物理体系之一。Google的“悬铃木”处理器和中国的“祖冲之号”都基于超导电路，实现了“量子优越性”。

尽管前景广阔，超导材料仍面临诸多挑战。临界温度提升、制备工艺优化、磁场稳定性增强以及长期可靠性等问题亟待解决。随着材料设计和制备技术的进步，超导材料正从实验室走向大规模应用。未来，室温超导的实现可能会引发能源、交通、医疗等领域的革命性变革，而中国科学家在这一领域的持续创新将为人类科技进步做出重要贡献。

3低温电阻—温度特性材料：寒境中的“感知精灵”

随着低温物理学、超导技术、深空探索及精密实验等领域的发展日益迅速，在众多科学研究和工业应用中，温度的精准控制与监测变得越来越关键[9]。低温温度传感器的发展经历了从传统分立式传感器到智能集成化的演变，以满足航天、量子计算等领域对极低温、高精度、强磁场等极端环境下的测温需求。目前，常见的低温温度传感器如表2所示。直接使用“电阻”特性来测温的温度传感器，通常是在基底镀上热敏电阻薄膜，然后封装成温度传感器，比如铂金电阻器、金属膜、氮化物膜及氧化物膜等。需要指出，硅二极管是一个特例，它不直接使用“电阻”而是使用“结电压”来测温，电压与温度成负相关关系。

表2　典型低温温度传感器的性能比较

在极低温测量领域，负温度系数(NTC)热敏电阻材料扮演着不可替代的角色，这类材料的电阻随温度升高而呈指数下降，它们是液氮或液氦温区温度检测的理想选择[10，11]。表2中，RuO2厚膜和ZrO

y

是常见的负温度系数的极低温薄膜温度传感器。负温度系数热敏电阻材料的核心机理在于载流子浓度随温度的变化关系。在低温下，半导体中的载流子被“冻结”在杂质能级，电阻极高；随着温度升高，越来越多的载流子获得足够能量进入导带，导致电阻急剧下降。对于多数材料而言，其电阻值与温度间存在一种指数型关系，通常可以表示为：

其中，

R

T

) 为温度

T

时的电阻值，

R

0 是基准温度下的电阻值，单位为Ω；

B

为材料特性相关的参数；温度

T

的单位为K。

低温薄膜温度传感器因其快速响应、高灵敏度和小尺寸等特点，已成为低温物理研究和工程应用的关键器件。其中，氮化锆(ZrN)和氮氧化锆(ZrO

y

)薄膜因其独特的性能优势脱颖而出。(1)低磁阻：在强磁场环境下(如超导磁体内部)，传统传感器的电阻会受磁场影响，而ZrN系材料磁阻极小，可以保证测量准确性；(2)高灵敏度：通过调控氮氧比，可获得最优的温度系数，在4—300 K范围内灵敏度达100 Ω/K以上；(3)长期稳定性：薄膜结构避免了体材料可能出现的裂纹等问题，在热循环中表现稳定。中国科学院理化技术研究所开发的ZrO

y

薄膜温度传感器，采用磁控溅射工艺制备，在0.1—300 K范围内非线性误差小于±0.1 K，已初步应用于多项低温工程设备中 [12] 。

低温温度传感器面临着极端环境的严峻考验，首先是工作于极低温环境，在mK级极低温区，传感器的自热效应不容忽视；其次是强磁场干扰，在核磁共振、聚变装置等场景中，高磁场会使常规传感器失效；此外，若是应用在卫星和深空探测器中，传感器还需承受剧烈振动和宇宙射线。研究人员积极解决以上困难，例如，采用微纳米加工技术制备的微型传感器(如RuO2厚膜)功耗可低至nW级，满足稀释制冷机的测温需求；采用特殊材料(如铑铁电阻)和对称电路设计，可将磁场影响降至最低；通过微型化坚固设计抵御振动，采用抗辐射材料与电路应对宇宙射线，并经过严格的地面模拟试验验证，确保传感器在太空极端环境下的可靠性。

随着量子科技、深空探测等前沿领域的发展，对低温温度测量的要求日益提高。未来趋势包括开发室温至mK温区工作的单一传感器，通过智能算法提升测量精度和可靠性，以期进一步推动人类探索极端环境的边界。

4负热膨胀材料：低温下的“反常识”行为

大多数材料遵循“热胀冷缩”的基本规律，但有一类材料却表现出完全相反的行为——温度降低时膨胀，升高时收缩，这种现象称为负热膨胀(negative thermal expansion，NTE)。1897年，物理学家Ferdinand Braun在观测硫化银的电学性质时，偶然发现了这一反常现象，但当时并未引起足够重视。

直到20世纪90年代，随着精密仪器和低温技术的发展，对材料尺寸稳定性的要求越来越高，负热膨胀材料才开始受到广泛关注。典型的负热膨胀材料包括钨酸锆(ZrW2O8)、氰化物(如Zn(CN)2)以及某些金属有机框架化合物(MOFs)[13]，如表3所示。这些材料在特定温度范围内表现出显著的负热膨胀系数，如ZrW2O8在0.3—1050 K范围内的平均线膨胀系数高达-8.7×10-6/K。

表3　典型负热膨胀材料的性能与应用

负热膨胀现象的微观机理复杂多样，主要可分为以下几种类型[14]。(1)横向振动机制：在具有链状或层状结构的材料中，原子横向振动会导致整体尺寸收缩。例如，在ZrW2O8中，WO4四面体的横向振动拉近了Zr原子间距，导致宏观收缩。(2)低能激发态效应：某些材料中存在特殊的电子或磁激发态，随着温度升高会占据更多体积，导致晶格收缩。典型的例子是磁性材料La(Fe,Si)13在居里温度附近表现出的巨负热膨胀[15，16]。(3)相变诱导效应：材料在相变过程中可能伴随体积突变。例如，中国科学家在Mn3Cu0.5Ge0.5N中观察到压力诱导的体积收缩达5%，为设计新型负热膨胀材料提供了新思路[17]。

近些年来，通过精心设计的微观结构对宏观性能进行调控是常见的调控材料物性的手段，这种材料被称为“超材料”，是一类具有天然材料所不具备的特殊物理性质的人工复合结构或复合材料。负热膨胀超材料主要通过微结构的细微调整达到体积收缩的目的。负热膨胀超材料主要包括弯曲主导型和拉伸主导型两类。弯曲主导型通过不同组分热膨胀差异诱发微结构弯曲，从而驱动宏观收缩。根据结构特征的不同，弯曲主导型负热膨胀超材料又可细分为条带结构、手性结构、内凹结构等。而拉伸/压缩主导型则借助刚性单元的几何协调变形，将材料的热膨胀转化为结构的整体向内汇聚。根据结构特征的不同，拉伸主导型负热膨胀超材料亦可细分为三角形结构、四面体结构、八面体结构等。图2展示了一些典型的负热膨胀超材料结构[18]。

图2　典型的负热膨胀超材料结构[18]

在深低温领域(一般指液氢沸点(约20.3 K)及以下温区)，材料的热膨胀行为对设备性能有着至关重要的影响。例如，(1)太空望远镜：詹姆斯·韦伯太空望远镜的镜面在40 K工作温度下，尺寸稳定性要求达到纳米级。通过将碳纤维复合材料与负热膨胀填料复合，解决了温度变化导致的焦距漂移问题。(2)超导磁体：Nb3Sn超导线圈在冷却到4.2 K时会收缩约0.2%，可能导致绝缘层破裂。需要采用负热膨胀涂层有效补偿这种应变，提高磁体可靠性。(3)量子计算芯片：超导量子比特对基底材料的尺寸稳定性极为敏感。例如，IBM研发的“鹰”处理器采用定制热膨胀系数的硅基材料，将比特频率漂移控制在百万分之一以下。

随着低温技术的发展，负热膨胀材料正从实验室走向工业化应用。未来趋势包括开发兼具负热膨胀和高导热的多功能材料，利用机器学习预测新型负热膨胀化合物，以及设计自适应温区的智能复合材料等。这些创新将进一步推动低温工程和精密仪器的发展。

5低温结构材料：坚固的低温脊梁

低温结构材料是指那些专为在低温环境下工作而设计，具备特定机械特性的材料。根据实际应用场景的不同，所选用的材料类型也会有所变化。这类材料涵盖了金属、合金、复合材料等多种类型，如表4所示。

表4　典型低温结构材料的性能比较

低温环境对材料的力学性能具有深刻影响，其核心特征可归纳为“两升两降”：强度与硬度提升，而韧性与延性下降。这一根本变化源于低温抑制了原子热振动，减少了位错等晶体缺陷的活动能力。具体而言，其主要影响体现在以下几个方面。

(1)强度与硬度的提升：随着温度降低，原子热振动能量减弱，晶格阻力增大，这使得位错运动变得困难，宏观上表现为材料的屈服强度和抗拉强度显著提高。

(2)韧性与延性的降低：这是低温环境下最值得关注的风险，温度降低将使材料从韧性状态向脆性状态转变。其中，韧脆转变温度是衡量材料低温适用性的关键指标。低于此温度，材料在断裂前几乎不发生塑性变形，易发生灾难性的脆性断裂。

(3)疲劳与冲击行为复杂化：低温一方面因抑制塑性变形而可能延缓疲劳裂纹的萌生，从而延长高周疲劳寿命；但另一方面，材料韧性的下降也使其对裂纹和缺口的敏感性增加，可能导致低周疲劳和冲击韧性恶化。

例如，在极低温下，316L不锈钢的应力—应变曲线会出现如图3所示的锯齿状波动[19]，这种现象在学术上被称为“锯齿流变”或“Portevin-Le Chatelier (PLC)效应”。但这并非材料即将脆断的简单信号，而是揭示了低温环境下塑性变形过程变得极不稳定。锯齿的每一次“应力骤降”都对应着位错的突然大规模滑移，这会导致变形高度集中在某个狭窄的剪切带内。这种不均匀的局部化变形极易在该处引发微裂纹的形核，成为脆性断裂的起源点。

图3 316L合金在室温和15 K时的力学行为(拉伸应力应变曲线)[19]

因此，在低温工程设计与材料选择中，核心任务在于平衡强度与韧性。必须选用低韧脆转变温度的高韧性材料(如奥氏体不锈钢、镍基合金、特定铝合金及钛合金)，并在结构设计中避免应力集中，以预防脆性断裂的发生。

低温结构材料的发展史紧密追随人类对极寒环境的探索步伐，其演进历程可清晰地划分为以下几个关键阶段。18世纪，科学家如法拉第通过气体液化实验开启了低温研究的大门，但当时对材料在低温下的力学行为尚缺乏系统认知。直至19世纪末20世纪初，一系列船舶、桥梁在寒冷环境下的脆性断裂事故，才首次深刻暴露出材料低温脆化的严峻问题，从而正式推动了相关研究。20世纪初，通过降低碳含量(从0.6%逐步降至0.18%)，低合金钢的焊接性与低温韧性得到改善，成为早期低温结构的主力。随后，镍系低温钢被开发出来，镍含量的增加显著提升了材料在-40 ℃至-196 ℃温区的韧性，使之成为液氮储罐等设备的关键材料。20世纪50年代，为满足液氢(-252 ℃)火箭推进剂储箱的需求，苏联开发了OT4、BT5-1等低铝钛合金，美国则研制出综合性能优异的Ti-6Al-4V合金。钛合金凭借其低密度、高比强度和优异的低温韧性，自此成为航空航天低温装备的标志性材料。自1935年起，系统的金属材料低温疲劳试验逐步展开。至1970年代，研究进一步拓展至裂纹扩展速率和韧脆转变机理，揭示了低温下材料塑性变形阻力增加但疲劳寿命可能降低的复杂现象。研究表明，钛合金在低温下可能出现解理断裂，而奥氏体不锈钢则因相变(如ε-马氏体形成)表现出异常加工硬化。20世纪90年代至今，C/C复合材料、陶瓷基复合材料等因兼具耐超高温与低温稳定性，被广泛应用于航天器热防护系统。例如，通过添加氧化石墨烯优化界面的碳纤维/环氧树脂基复合材料，能更好地适应深冷环境的热膨胀差异。同时，深冷处理工艺得到大力发展，该技术通过液氮深冷(-196 ℃)来细化金属晶粒、提升位错密度，从而显著强化材料，如使TC4钛合金的抗拉强度提升10%以上。

在众多低温结构材料中，低温钢因其具有卓越的抗脆性和高强度特性而被广泛采用。通常情况下，普通钢材在低温条件下性能不理想，特别是在强度和韧性方面表现不佳。低温会导致钢材内部晶格收缩和原子活动减弱，进而使材料变得更加脆弱，容易发生脆性断裂。为此，低温钢通过精心设计其合金组成与热处理工艺来确保即使在极端低温环境下也能保持良好的性能[20]。通过调整这些元素的比例、晶体结构以及热处理方法，可以极大增强钢材在低温条件下的表现[21]。例如，适量的钛与铝的存在能细化晶粒并进一步增强钢材的强度，适当调节这两种元素的比例，可以优化钢材在低温状态下的微观结构，从而进一步提升其机械性能。

由于具有优秀的机械属性、化学稳定性和良好的加工特性，环氧树脂也是一种低温领域内作为绝缘、支撑及保护用途的低温结构材料，被广泛用于航天、核工业、超导技术和深冷工程等领域。环氧树脂是一种由环氧基团与多官能团交联剂经固化反应制备而成的聚合物材料，该材料能够与多种基材(如金属、陶瓷、玻璃、纤维等)形成稳固的粘接界面。为了适应低温条件下的应用需求，通常需要对环氧树脂基材料进行改性或复合化处理以增强其综合性能。当前改性途径有几种主流方案。首先，韧性改进：在低温环境下，环氧树脂表现出较高的脆性，这一问题可以通过引入柔性组分或第二相来解决，如添加超支化聚合物或加入丁腈橡胶(CTBN)、液体硅橡胶等形成微米级相分离结构，从而显著改善低温韧性；或者掺入聚醚砜(PES)等热塑性材料，利用物理缠结机制加强基体韧性；其次，还可以通过加入氧化石墨烯、碳纳米管、碳纤维或纳米硅颗粒来提升材料的抗冲击性和断裂韧性[22]。最近，中国科学院理化技术研究所研制出一种新型韧性环氧树脂IR-3，如图4所示。经过中国科学院高能物理研究所实验鉴定，当在5 T和10 T的外场中以4.2 K充电时，IR-3浸渍的REBCO线圈避免了性能下降问题，并具有优异的电稳定性[23]。这证明IR-3具有优异的低温性能，是一种很有前途的高场线圈浸渍材料。此外，调整热膨胀系数：当环氧树脂基复合材料与金属或陶瓷等在低温环境中接触时，由于它们之间热膨胀系数差异大，容易导致界面处出现裂纹。为此，研究者们尝试通过混入玻璃纤维或碳纤维等填充物减少环氧树脂的热膨胀系数并提高尺寸稳定性[24]；另一种方法是设计功能梯度材料，利用层次化的结构实现热膨胀系数的渐变匹配。最后，强化耐辐射性能：在核能及航天领域，还需特别关注辐射损伤对环氧树脂性能的影响。通过向体系中添加抗辐射成分(例如稀土氧化物或多环芳烃)，可以有效提高材料抵抗辐射的能力。

图4　环氧树脂浸渍超导线圈，图中黄色透明材料为环氧树脂[23]

当前，低温结构材料研究的重点领域主要包括：(1)致力于新型材料体系的研发，旨在拓宽其在低温条件下的应用范围，尤其是在提高材料强度、韧性和耐用性方面；(2)复合材料在低温条件下展现出的机械特性日益受到重视，特别是那些需要满足高强度、低膨胀系数及良好抗冲击性的应用场景；(3)纳米技术的应用对于改善低温材料的机械属性具有显著潜力[25]。通过引入纳米结构来增强材料的抗脆断能力，并进一步提升其强度与韧性，这将为低温技术领域带来一系列创新解决方案。

6总结与展望

本文介绍了物质在极端低温条件下的奇妙行为，从源于电子库珀对凝聚的超导态，到由横向振动或磁致伸缩驱动的负热膨胀行为；从载流子浓度急剧变化所致的灵敏温阻特性，再到位错运动受抑带来的韧性、强度协同提升，共同构成了低温材料物性的多元图像。这些发现不仅丰富了我们对物质世界的认识，更为技术革新提供了无限可能。低温材料研究正呈现出多学科深度交叉融合的趋势。材料基因组计划通过高通量计算和实验，加速新型低温材料的发现。例如，哈佛大学团队利用机器学习算法，从数百万种可能组合中预测出新型超导氢化物。中国科学家开发的“材料科学大数据平台”已收录超过10万种材料的低温性能数据，为人工智能辅助设计提供了坚实基础。

在接近绝对零度的极低温区，量子效应主导材料行为。目前拓扑超导体、量子自旋液体等新奇量子态材料成为研究热点。例如，在二维材料中观察到分数陈绝缘体态，为实现容错量子计算提供了新平台。这些量子材料不仅具有重大基础科学意义，也可能带来颠覆性的技术变革。此外，传统低温技术依赖液氦等稀缺资源，能耗高且不可持续，最近新型磁制冷、热声制冷等固态制冷技术正取得突破。例如，磁制冷材料Gd基合金在近室温区表现出巨磁热效应，制冷效率可达卡诺循环的60%[26]。另外，极端低温环境的地面模拟和材料行为预测对太空探索也至关重要，中国已建成可模拟-269—150℃温度循环、强辐射和超高真空的综合环境模拟装置。

正如著名物理学家费曼所说：“底层空间还很大”。随着量子科技、聚变能源、深空探测等国家重大战略需求的推进，低温材料研究将迎来前所未有的发展机遇。中国科学家正从跟踪模仿走向原创引领，在低温材料这一“冷”门领域不断产出“热”点成果，为人类探索极端环境、突破科技极限提供关键材料支撑。

致谢感谢中国科学院理化技术研究所黄传军研究员、颜吉祥博士、张泓玮博士以及项月博士的讨论。

应用物理专题

参考文献

[1] van Delft D，Kes P. Physics Today，2010，63(9)：38

[2] Banno N. Superconductivity，2023，6：100047

[3] Jin H，Wu Q，Xiao G et al. Superconductivity，2023，7：100054

[4] 邹芹，李瑞，李艳国等. 燕山大学学报，2019，43(02)：95

[5] Boeri L，Hennig R，Hirschfeld P et al. Journal of Physics：Condensed Matter，2022，34(18)：183002

[6] 常佳鑫，张胜楠，刘吉星. 物理，2024，53(10)：691

[7] 肖立业，刘向宏，王秋良等. 中国工业和信息化，2018，(08)：30

[8] Gu W，Ru X，Li D et al. Journal of Neuroscience Methods，2021，358：109138