圖為鈷基三角晶格材料和利用該材料制作的低溫制冷器件。（作者供圖）

“發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)與極低溫制冷新機(jī)制”成果，入選了由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)公布的2024年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。

作為一種惰性氣體，氦氣具有重要的工業(yè)用途。1908年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯首次將氦氣液化。由此，利用液氦的極低溫制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用，特別是大科學(xué)裝置、空間探測(cè)、量子科技等前沿領(lǐng)域，離不開(kāi)極低溫環(huán)境的支撐。

然而，氦氣是全球性稀缺資源，其中同位素氦-3尤其稀少，我國(guó)的氦-3更是幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。探索不依賴(lài)氦資源的極低溫固態(tài)制冷新方案，一直是科學(xué)家著力破解的難題。

超固態(tài)是否存在

目前，極低溫制冷主要有兩種方式：第一種是氦制冷，它依賴(lài)氦這種稀缺元素的量子漲落強(qiáng)、相互作用弱帶來(lái)的特殊低溫特性；第二種是磁制冷，它主要依賴(lài)水合順磁鹽工質(zhì)的磁卡效應(yīng)，是典型的固態(tài)制冷。

這里的磁卡效應(yīng)是指磁性材料在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生顯著溫度變化的現(xiàn)象。之前，美國(guó)科學(xué)家吉奧克通過(guò)水合順磁鹽的絕熱去磁已實(shí)現(xiàn)低于1K（相當(dāng)于-273.15℃）的極低溫。然而，水合順磁鹽中磁性離子分布稀疏，同時(shí)具有磁熵變密度小、穩(wěn)定性差、熱導(dǎo)低等固有缺點(diǎn)。

近年來(lái)，量子磁性材料的相關(guān)研究進(jìn)展為極低溫固態(tài)制冷的性能提升帶來(lái)新思路。超固態(tài)是兼具固體和超流體特征的新奇量子物態(tài)。超固態(tài)能否在固態(tài)材料中存在是凝聚態(tài)物理的重要前沿問(wèn)題，也是《科學(xué)》雜志2005年公布的125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。

自20世紀(jì)70年代初，超固態(tài)作為理論猜測(cè)提出以來(lái)，除了冷原子氣的模擬超固態(tài)實(shí)驗(yàn)外，人們尚未在固體物質(zhì)中找到超固態(tài)存在的可靠實(shí)驗(yàn)證據(jù)。如果固體磁性材料中存在自旋超固態(tài)，科學(xué)家將有望實(shí)現(xiàn)高效的極低溫固態(tài)制冷。

從預(yù)言到驗(yàn)證

鈷基三角晶格材料是一種新合成的反鐵磁材料。在早期研究中，人們觀察到此材料中存在著很強(qiáng)的低能自旋漲落，于是，科學(xué)家提出其是量子自旋液體態(tài)的候選材料。我們團(tuán)隊(duì)基于多年的研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展出一系列精確、高效的量子計(jì)算方法，從理論上預(yù)言該材料的基態(tài)并非量子自旋液體，而可能是長(zhǎng)期尋找的自旋超固態(tài)。

由于材料中自旋相互作用很小，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究需要在極低溫下對(duì)其中的自旋物態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，極具挑戰(zhàn)性。我們團(tuán)隊(duì)制備了高質(zhì)量的鈷基三角晶格材料單晶體，通過(guò)多個(gè)版本實(shí)驗(yàn)器件的迭代優(yōu)化，攻克了低溫絕熱與變場(chǎng)測(cè)溫等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，成功測(cè)量了該材料的極低溫磁卡效應(yīng)。

我們團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自旋超固態(tài)既能在量子臨界點(diǎn)附近發(fā)生溫度的急劇下降，同時(shí)由于超流引起的量子漲落使得材料在絕熱退磁過(guò)程中保持比較恒定的低溫，具有完美的磁卡制冷效應(yīng)。

同時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了低溫中子衍射實(shí)驗(yàn)。由于材料中的鈷離子磁矩較小，需要基于國(guó)際先進(jìn)的中子源實(shí)驗(yàn)站開(kāi)展0.1K以下信號(hào)測(cè)量。經(jīng)過(guò)多次嘗試，我們團(tuán)隊(duì)首次從微觀角度揭示了鈷基三角晶格材料中的自旋超固態(tài)。這是首次在實(shí)際量子磁體中發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)存在的有力證據(jù)，為探索極低溫量子磁制冷材料提供了嶄新的思路。

在以上研究成果的基礎(chǔ)上，我們團(tuán)隊(duì)還研制了基于量子磁性材料的實(shí)際固態(tài)制冷器件，且已應(yīng)用到前沿研究的工作中。目前，基于該制冷器件的更多極低溫測(cè)量功能正在開(kāi)發(fā)中。

我們期待未來(lái)在量子磁性材料的研究進(jìn)展中可以實(shí)現(xiàn)更低溫、更高冷量的極低溫制冷技術(shù)，通過(guò)基礎(chǔ)研究的不斷突破來(lái)推動(dòng)工程技術(shù)的提升，將實(shí)驗(yàn)室的研究成果轉(zhuǎn)化成新型應(yīng)用器件和極低溫制冷機(jī)，緩解極低溫領(lǐng)域?qū)べY源的依賴(lài)，同時(shí)拓展我國(guó)相關(guān)大科學(xué)裝置的測(cè)試溫度區(qū)間，并助力物質(zhì)科學(xué)、量子科技、空間探測(cè)等前沿領(lǐng)域的發(fā)展。

（作者系中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員）

責(zé)任編輯：魏敏