近年来，科学家不断挑战实验的极限边界。在强磁场、极低温等极端条件下，大量新奇的科学现象与物质内在规律相继被揭示，持续拓宽人类的科学认知疆域。强磁场与极低温作为物质科学前沿研究不可或缺的极端实验条件，是催生重大原创科学发现的重要利器。然而，受脉冲强磁场自身特性制约，超强磁场环境下实现稳定极低温环境仍面临诸多技术难题。现有的氦三低温系统普遍存在样品腔尺寸有限、低温保持时间短等短板，极大限制了可开展的实验类型，也显著降低了整体实验效率。
依托学校仪器设备开放共享基金（项目编号：KFGX2026005），国家脉冲强磁场科学中心低温工程团队针对现有油泵式氦三系统的瓶颈，成功研制了一套适用于60 T脉冲磁体的高性能氦三极低温系统。该系统将样品空间从7 mm扩大至9 mm，最低温度达到279 mK，在300 mK以下温区的稳定维持时间超过3 h，显著提升了脉冲强磁场环境下极低温实验的使用性能。该成果为量子材料、超导机理、拓扑物态等前沿基础研究提供了不可替代的极端实验平台。
一、功能聚焦：攻克脉冲强磁场极低温实验技术瓶颈
极低温-强磁场复合环境，是研究物质量子特性的核心实验条件。在该极端条件下，电子强关联、自旋有序及拓扑物性等微观量子效应得以凸显，为解析非常规超导机理、分数量子霍尔效应及拓扑量子计算等前沿科学问题，提供了关键实验基础。依托氦三液蒸发制冷原理构建的系统，是目前实现300 mK温区条件最为成熟且经济可行的技术路线，尤其适配强磁场环境下，对实验效率、样品更换频次要求较高的科研应用场景。
然而，脉冲强磁场环境对极低温系统提出了严苛的技术考验。首要难题来自脉冲磁场放电过程：磁场快速变化会使插入磁体孔径内的金属部件产生感应涡流，进而产生焦耳热。若低温插件尾部采用全金属结构，产生的焦耳热将直接传导至氦三液池，导致其温度在放电中急剧上升，严重制约了有效实验温度和时间。同时，现有油泵式氦三系统样品空间仅为7 mm，极低温维持时间仅150 s，难以满足科研用户不断增长的实验需求。
二、体系构筑：搭建系统核心架构与关键技术创新
为满足脉冲强磁场条件下的极低温实验研制需求，项目团队研制了一套由1.5 K氦四预冷系统、氦三插件和气体处理系统三部分构成的高性能氦三极低温系统。在氦三插件设计方面，团队创新性地采用不锈钢-环氧树脂复合结构：插件主体采用不锈钢材料，保障低温系统的结构强度和密封性能；伸入脉冲磁体内孔的尾管则采用多层环氧材料制作，从根本上抑制脉冲磁场诱发的涡流热效应。该设计既兼顾系统的结构完整性与密封可靠性，又有效避免涡流焦耳热对氦三液池的干扰。
图1 氦三低温插件制作
针对氦三气体处理系统，团队基于油泵与液氮冷阱搭建了气体循环回路，并对系统结构设计和操作流程进行了多次优化。液氮冷阱是保障氦三极低温系统长时间稳定运行的必需组成部分。冷阱内部填充活性炭吸附剂，并浸没于液氮（77 K）中，用于吸附氦三气体中的杂质，防止杂质在低温下凝固堵塞插件与样品杆之间的狭窄抽气通道，同时避免杂质覆盖氦三液表面影响蒸发制冷的换热效率。
图2 氦三低温系统流程图
三、性能验证：关键指标显著提升，系统性能达国际先进水平
氦三极低温系统研制完成后，项目团队开展了系统的性能测试与评估。实验结果表明，优化后的氦三极低温系统，性能得到显著提升：样品空间由7 mm扩大至9 mm，提升了系统对样品的兼容性；最低温度达到279 mK，且在300 mK以下温区的稳定维持时间超过3 h，相比优化前150 s的维持时间实现了数量级的提升。这一提升表明，减小插件漏热与提高系统制冷功率在脉冲磁体极低温系统工程实践中具有决定性作用，满足了绝大多数脉冲强磁场精密测量实验对时间窗口的需求。
图3 氦三低温系统实验测试与降温曲线
四、开放共享：支撑前沿科学研究，服务多学科用户
本项目相关进展已发表于《低温工程》（2026(4): 80-86）。优化后的氦三极低温系统可实现300mK极低温实验条件，支撑国内外科研人员在60 T脉冲强磁场下开展量子材料、超导机理、拓扑物态等前沿基础研究，为揭示非常规超导机理、分数量子霍尔效应及拓扑量子计算等重大科学问题提供关键极端实验平台。
下一步，研究团队将继续围绕脉冲强磁场设施的特色优势，持续开展强磁场、极低温等多种极端实验条件相结合的技术攻关，进一步提升氦三系统的性能和开放共享服务能力，打造国际领先实验平台，支撑科研人员在相关领域产出重大原创成果，为实现高水平科技自立自强贡献力量。
作者单位：国家脉冲强磁场科学中心
撰稿：刘梦宇 杨明
审核：吕以亮 施江涛
