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在一堆錯綜複雜的管道、管子、儀表、金屬板、泵和膠帶之下，隱藏著一個比外太空還要寒冷的地方。劍橋大學卡文迪什實驗室的量子物質團隊在這個有組織的混亂環境中工作，開始揭示SUV大小的冰箱中超冷材料的奇異量子特性。
因為人類可以輕易感知冷熱之間的差異，所以溫度是科學的一個特徵，人們對此有相當直觀的理解。但人們在區分冷熱時實際體驗到的是系統所包含的熱能的量——例如，一個冰淇淋蛋卷所包含的熱能比一碗熱湯要少。而且由於這種能量來自物質內部原子和分子的運動，這意味著湯分子比冰淇淋中的分子運動得更劇烈。
然而，劍橋大學的團隊在嘗試接近絕對零度（熱力學定律允許的最低溫度）時，在一個更極端的層面上監測能量。絕對零度，技術上稱為零開爾文，等於−273.15攝氏度或-459.67華氏度，並在溫度計上標記了一個系統達到其最低可能能量或熱運動的點。
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不過，這裡有一個問題：絕對零度是不可能達到的。原因與從物質中去除熱量所需的工作量有關，當您嘗試達到更低的溫度時，工作量會大幅增加。要達到零開爾文，您將需要無限量的工作。即使您能夠達到那裡，量子力學也規定原子和分子仍然會具有一些不可約的運動。
量子力學也意味著，這些研究人員越接近絕對零度，物質的性質就變得越怪異。例如，在足夠低的溫度下，液氦會轉變成超流體——一種沒有摩擦阻力流動的液體。因此，它可以自發地向上和向外流出容器；滲入分子薄的裂縫；在高速旋轉時保持完全靜止；並且——最令物理學家驚訝的是——聚結成一個“超原子”，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態。卡文迪什團隊在約1到10毫開爾文，即千分之一開爾文的溫度下工作，正在調查各種其他也表現出奇異量子行為的材料。而且該小組用來達到如此低溫的技術幾乎與它試圖誘導的行為一樣複雜。
對絕對零度的探索始於18世紀初，當時紀堯姆·阿蒙頓提出，如果溫度是系統中熱量的度量，那麼就必然存在一個最低溫度。然而，直到兩個世紀後，阿蒙頓的理論才在實驗中找到其地位。在萊頓大學，海克·卡末林·昂內斯和他的同事們與世界各地的其他人競爭，以開發液化氦的技術。在多次失敗的嘗試之後，他們成功了，荷蘭國家科學史和醫學史博物館 Boerhaave 博物館館長 Dirk van Delft 說，“萊頓曾短暫地成為地球上最冷的地方。”
昂內斯的成功最終歸功於最早的高功率製冷形式之一。與日常冰箱一樣，昂內斯實驗室以及現在世界各地實驗室中的冷卻系統都以迴圈方式工作。冷卻過程本身類似於您對著熱咖啡吹氣以使其冷卻時發生的情況。當人吹氣時，更混亂、移動更快的咖啡分子被鼓勵蒸發，從而遠離杯子。留下的分子平均移動速度較慢——因此使咖啡達到更適宜飲用的溫度。然而，與使用冰箱內部蒸汽的日常冰箱不同，昂內斯使用氣態氦和液態氫氣和氧氣來實現低溫。
透過將氣態氦迴圈透過浸泡在冷液氫和空氣中的腔室，昂內斯的小組成功地達到了一個溫度，在該溫度下，一小杯氦可以液化。這樣做時，氣態狀態下的多餘熱量消散，系統達到了僅為六
開爾文高於絕對零度——這是當時最接近的嘗試。這項研究為昂內斯贏得了1913年諾貝爾物理學獎。他還意外地發現了超導性，即物質以零電阻傳輸電流的能力。這種特性使得當今MRI探測器和巨型粒子加速器中使用的強大超導磁體成為可能，以及其他應用。
當今世界上最好的製冷系統都基於昂內斯的原始工作，但它們現在可以達到幾毫開爾文，利用兩種不同的氦同位素。與大多數液體在某個溫度點會凍結並變成固體不同，氦在一直到絕對零度的溫度下都保持液態。由於其原子在這些溫度下非常輕，氦被微弱地吸引到其他氦原子，以至於它們被鎖定在持續的抖動中，稱為零點運動，這是一種由海森堡不確定性原理定義的量子力學效應。
氦在一個基本上是閉環的系統中執行，其作用幾乎與您杯子中那些無序的咖啡分子完全相同，並在迴圈時將多餘的熱量散發到環境中。當氦-3同位素由於冰箱裝置引起的吸引力和壓力差而向氦-4同位素遷移時，它會吸收熱量並將整個系統冷卻到毫開爾文水平。
劍橋實驗室使用這種冰箱來檢查許多不同型別的材料和材料特性。其中最令人驚訝的可能是鍺化鐵 YFe2Ge2。在低溫下，這種鐵基材料會扭曲成超導體。“最令人震驚的發現實際上是 YFe2Ge2 作為超導體的存在，”劍橋量子物質小組的博士生 Keiron Murphy 說。
他解釋說，由於鐵的磁性，無論溫度如何，鐵通常會破壞材料中的任何超導特性。超導性在科學、醫學和計算領域有許多應用，每一種新的超導體都可以幫助促進新技術的發展。由於該實驗室的工作，YFe2Ge2 現在被認為是研究具有類似鐵結構的化合物中超導性的參考材料。
不幸的是，墨菲說，量子態“本質上是脆弱的”，並且在某些材料中自然產生的相當一部分有趣特性“被較高溫度下的振動所淹沒”。量子物質小組在約 1 到 10 毫開爾文的溫度下工作，可以在這些溫度下進行數月的測量。但該小組目前正在開發另一種更高效的冰箱，可以更長時間地維持這些低溫。
有了這個新冰箱，該團隊將長期研究低溫下的其他鐵基材料，並繼續研究被稱為拓撲半金屬的材料，例如 ZrSiS。拓撲半金屬的低溫磁性行為在很大程度上是一個謎，因為它們的性質主要由它們的拓撲結構（或其各部分的排列）決定，而不是它們的組成元素。一旦新冰箱投入執行，劍橋團隊就準備揭開它們的謎團。
奇異的物理特性在低溫的極端條件下蓬勃發展，而這些奇異特性的影響似乎是無限的。諸如稀釋製冷中使用的超冷技術對於廣泛的學科至關重要：引力波研究、超導性、自旋電子學、量子計算和其他新興技術。緩解高溫應變，在絕對零度下工作對於理解和揭示量子力學和一般物理學中的許多未知數至關重要。
“在這些溫度下，我們可以進入一個充滿奇異現象的世界，曾經普通的材料變得非凡，”墨菲說。