Ни́зкие температу́ры (криогенные температуры), в физике и технике интервал температур ниже 120 К.

Получение низких температур

Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы (хладагенты). В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, поддерживается его постоянная температура кипения $T_{кип}$ при нормальном атмосферном давлении. В качестве хладагентов используют: воздух $(T_{кип}≈80 К)$, азот $(T_{кип}=77,4 К)$, неон $(T_{кип}= 27,1 К)$, водород $(T_{кип}= 20,4 К)$, гелий $(T_{кип}=4,2 К)$. Жидкие газы получают в специальных установках – ожижителях, в которых при расширении сильно сжатого газа до обычного давления происходят его охлаждение и конденсация (см. статьи Сжижение газов, Эффект Джоуля – Томсона). Сжиженные газы могут сохраняться достаточно долго в сосудах Дьюара и криостатах с хорошей теплоизоляцией. Откачивая из герметизированного сосуда испаряющийся газ, можно уменьшить давление над жидкостью и тем самым понизить температуру её кипения. Таким путём удаётся получить температуры: от $77$ до $63 К$ с помощью жидкого азота, от $27$ до $24 К$ – жидкого неона, от $20$ до $14 К$ – жидкого водорода, от $4,2$ до $1 К$ – жидкого гелия.

Гелий при атмосферном давлении остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля температур (см. статью Жидкий гелий). Однако при откачке паров жидкого ${^4He}$ не удаётся получить температуру существенно ниже $1 К$ даже с помощью очень мощных насосов (вследствие чрезвычайно малого давления насыщенных паров ${^4He}$ и его сверхтекучести). Поэтому для достижения температур порядка десятых долей кельвина используют изотоп гелия ${^3He}$ $(T_{кип}=3,2 К)$, который не является сверхтекучим при таких температурах. Откачивая испаряющийся ${^3He}$, удаётся понизить температуру жидкости до $0,3 К$. Температуры ниже $0,3 К$ принято называть сверхнизкими температурами. Для их получения применяют различные методы. Методом адиабатического размагничивания (см. статью Магнитное охлаждение) с использованием парамагнитной соли в качестве охлаждающей системы удаётся достичь температур порядка $10^{–3} К$, а с использованием парамагнетизма атомных ядер – порядка $10^{–6}К$.

Для получения температур порядка нескольких $мК$ используют метод растворения жидкого ${^3He}$ в жидком ${^4He}$ в рефрижераторах растворения, действие которых основано на том, что ${^3He}$ сохраняет конечную растворимость (около 6 %) в жидком ${^4He}$ вплоть до абсолютного нуля температур. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого ${^3He}$ с разбавленным раствором ${^3He}$ в ${^4He}$ атомы ${^3He}$ переходят в раствор, при этом поглощается теплота растворения и температура раствора понижается. Гелий ${^3He}$ можно охладить до температуры порядка $1–2 мК$, используя эффект Померанчука. Минимально полученная температура составляет $0,000000000038 К$ ($38$ пикокельвинов, на 2021).

Измерение низких температур

Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до $1 К$ служит газовый термометр. Другими вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи соответственно.

Для измерения температур от $630,74 °C$ до $13,81 К$ по Международной практической температурной шкале с точностью порядка $0,001 К$ служит платиновый термометр сопротивления. В диапазоне $0,3–5,2 К$ низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров $p_н$ гелия от температуры $T$, устанавливаемой с помощью газового термометра. В практической термометрии низкие температуры главным образом измеряют термометрами сопротивления (до $20 К$ – медными; в области водородных и гелиевых температур, вплоть до $1 мК$ – угольными). Для измерения температур ниже $100 К$ также применяют термометры сопротивления из чистого германия, термопары, терморезисторы, полупроводниковые диоды, датчики из сверхпроводящих сплавов (в области температур жидких гелия и водорода).

Для определения термодинамической температуры в области ниже $1 К$ используют методы магнитной термометрии и ядерные методы. В основе ядерных методов измерения низких температур лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная населённость дискретных уровней энергии системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряют интенсивности линий ядерного магнитного резонанса, определяемые разностью населённостей уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В другом методе определяют зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (см. статью Мёссбауэровская спектроскопия) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне $30–100 мК$ по осмотическому давлению ${^3He}$ в смеси ${^3He\:–^4He}$}.

Физика низких температур

Применение низких температур сыграло определяющую роль в изучении конденсированного состояния вещества. Особенно много новых физических явлений, экспериментальных фактов и закономерностей было обнаружено при изучении свойств вещества при температурах жидкого гелия. Это привело к выделению специального раздела физики – физики низких температур, которая изучает физические процессы, протекающие при низких и сверхнизких температурах, и свойства вещества при этих температурах. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах вуалируются сильным тепловым движением атомов. Обнаруженные при низких температурах макроскопические явления (например, сверхтекучесть, сверхпроводимость) могут быть объяснены только в рамках квантовой теории. В частности, вытекающее из принципа неопределённости существование нулевых колебаний объясняет существование гелия в жидком состоянии вплоть до $0 К$ (см. статью Квантовая жидкость).

Использование низких температур способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела. Состояние твёрдого тела при низкой температуре можно рассматривать как идеально упорядоченное состояние, соответствующее $0 К$, но с учётом газа элементарных возбуждений – квазичастиц, что позволяет описать многообразие свойств вещества при низкой температуре. Изучение теплоёмкости, теплопроводности и других тепловых и кинических свойств твёрдых тел при низкой температуре даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и других квазичастиц. На основе закона дисперсии магнонов (спиновых волн) объясняют температурную зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков. Изучение закона дисперсии электронов в металлах позволило объяснить ряд низкотемпературных свойств металлов (см. статьи Гальваномагнитные явления, Эффект Де Хааза – ван Альвена, Циклотронный резонанс).

Применение низких температур

Низкие температуры широко применяют при изучении магнитного резонанса, а также свойств полупроводников, молекулярных кристаллов и во многих других случаях. Охлаждение до сверхнизких температур используют в ядерной физике, например для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц.

Одна из главных областей применения низких температур в технике – разделение газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Низкие температуры используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственно конденсацией паров на металлических стенках сосуда с хладагентом (криогенный насос, см. статью Вакуумный насос). Другие направления технического применения низких температур связаны со сверхпроводимостью и сверхпроводниками (например, создание магнитогидродинамических генераторов, сверхпроводящих магнитов, сверхпроводящих квантовых интерферометров). Низкие температуры широко применяют в электронике и радиотехнике для подавления аппаратных шумов. Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота находит всё большее распространение в медицине (консервация живых тканей, лечение опухолей и др.). См. также статью Криогенная техника.