低温学是研究极低温度的产生、维持和应用，以及物质在这些条件下行为的科学与工程领域。通常将低于约 120 开尔文（−153 °C）的温度范围视为低温区，但这一界限是约定俗成的，并非明确的物理分界。该领域将低温研究与制冷、液化气体储存、超导设备及高灵敏度科学仪器联系起来。(nist.gov)
温度范围与物理行为
低温主要用绝对温标表示，其起点为绝对零度，即 0 K 或 −273.15 °C。常见低温液体，也称低温冷却剂，其标准沸点相差很大：氮的沸点约为 77.4 K，氧为 90.2 K，氢为 20.3 K，氦为 4.2 K。这些数值适用于一个标准大气压强下；沸腾温度会随压强变化。(nist.gov)
冷却可以揭示常温下无法观察到的性质。超导现象使某些材料在低于其转变温度时能够让电流无电阻地流动。在低压下，液态氦-4 在约 2.17 K 时发生相变，呈现超流性，从而具有特殊的流动和传热性质。这些现象使低温技术既成为研究工具，也成为大型科学设施不可或缺的支撑技术。(nobelprize.org)
历史发展
1908 年，海克·卡末林·昂内斯在莱顿成功液化氦，这是低温学发展中的重要里程碑。液氦使研究人员能够在仅比绝对零度高几度的温度下开展系统测量。1911 年，昂内斯发现汞的电阻在温度足够低时会消失，由此确立了超导现象作为一种独立物理现象的地位。他对低温下物质性质的研究，包括液氦的制备，为他赢得了 1913 年诺贝尔物理学奖。(nobelprize.org)
此后的发展使低温制冷从实验室中的液体冷浴扩展到紧凑型机械制冷机，以及能够连续运行的低于 1 K 的制冷系统。稀释制冷成为毫开尔文温区研究的实用方法，而可靠性的提高则使低温制冷机越来越广泛地用于商用设备、航天器和实验室仪器。因此，低温工程既包括低温流体的制备，也包括制冷机与被冷却装置的集成。(trc.nist.gov)
制冷方法
低温制冷遵循热力学原理，通过外部供能的过程从低温区域移走热。主要机械制冷方式包括焦耳–汤姆孙制冷、布雷顿制冷、斯特林制冷、吉福德–麦克马洪制冷和脉管制冷。这些系统都利用气体的压缩与膨胀，但在流动模式、热量回收、机械结构及适用温区方面有所不同。(nist.gov)
在焦耳–汤姆孙系统中，压缩气体通过节流部件；在适当的运行条件下，膨胀过程能够产生冷却作用。布雷顿系统则使用膨胀机。斯特林、吉福德–麦克马洪和脉管系统采用往复振荡的气流及回热式换热。选择制冷方式时，不仅要考虑可达到的温度，还要考虑制冷量、效率、振动和系统集成要求。(trc.nist.gov)
对于远低于 1 K 的温度，稀释制冷机使用氦-3 与氦-4 的混合物。当氦-3 从浓相进入稀相时，会产生冷却作用。持续循环使这一过程得以维持，从而实现毫开尔文温区的运行。另一种低于 1 K 的制冷方法是绝热去磁制冷，这种技术已被开发用于高灵敏度探测器和其他低温仪器。(trc.nist.gov)
隔热与系统集成
获得低温只是工程问题的一部分，还必须限制环境热量的传入。低温恒温器为低温样品或装置提供隔热环境。真空绝热和反射式多层隔热毯能够减少传热，但支撑结构、管道和电气连接仍可能成为漏热通道。因此，整体性能取决于整个装置，而不只是制冷机或隔热材料。(ntrs.nasa.gov)
进入低温液体的热量会使其蒸发，并导致储罐内压强升高。被动隔热可以减缓这一过程，但未必能完全消除蒸发。主动制冷能够移走传入的热量，从而在适当条件下实现低损耗或零蒸发储存。对于航天器，热设计既要考虑周围物体的辐射，也要考虑通过结构连接件发生的热传导。(nasa.gov)
应用
超导磁体是低温技术的一项重要应用。低温冷却为磁共振成像和粒子加速器中使用的磁体提供支持。在欧洲核子研究组织，大型强子对撞机的主磁体在 1.9 K 下运行。超流氦有助于传递热量，并保持这一庞大超导系统的稳定。(nist.gov)
低温技术还为基于超导量子比特的量子计算机提供支持。稀释制冷机为这些电路的运行和测试提供毫开尔文级低温环境；IBM 介绍的芯片特性测量系统可在约 15 毫开尔文下运行。低温有助于将量子比特制备到基态，并抑制热激发。低温制冷机也用于卫星上的红外传感器。(research.ibm.com)
其他应用包括低温火箭推进剂储存、食品速冻，以及对某些生物材料进行低温保存，这些材料包括精液、血液、组织和胚胎。低温保存不同于人体冷冻保存；后者是在人死亡后保存其身体，寄望于未来能够使其复活，目前尚不是低温技术中获得科学认可的应用。(science.nasa.gov)
危险与工程限制
低温液体的极低温度、汽化后的快速膨胀，以及对空气中氧气的置换都会带来危险。氮、氦或氩的泄漏可能造成缺氧环境，而封闭空间中滞留的液体在升温时可能产生过高压强。因此，低温系统需配备压力保护装置，并采取应对意外泄漏的措施。(safetyofficete.web.cern.ch)
制冷量、漏热、降温时间和机械干扰都会制约仪器设计。即使只是维持一个很小的低温区域，也可能需要相当庞大的设备，尤其是在毫开尔文温区。因此，研究工作致力于开发更高效的压缩机、更充分地利用可用制冷量、缩短降温时间，以及探索适用于高灵敏度测量的制冷方法。(nist.gov)