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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，入選了由國家自然科學(xué)基金委員會公布的2024年度“中國科學(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、量子科技等前沿領(lǐng)域，離不開極低溫環(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，我國的氦-3更是幾乎全部依賴進(jìn)口。探索不依賴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，它依賴氦這種稀缺元素的量子漲落強(qiáng)、相互作用弱帶來的特殊低溫特性；第二種是磁制冷，它主要依賴水合順磁鹽工質(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作用下產(chǎn)生顯著溫度變化的現(xiàn)象。之前，美國科學(xué)家吉奧克通過水合順磁鹽的絕熱去磁已實現(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，同時具有磁熵變密度小、穩(wěn)定性差、熱導(dǎo)低等固有缺點。
近年來，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)物理的重要前沿問題，也是《科學(xué)》雜志2005年公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。
自20世紀(jì)70年代初，超固態(tài)作為理論猜測提出以來，除了冷原子氣的模擬超固態(tài)實驗外，人們尚未在固體物質(zhì)中找到超固態(tài)存在的可靠實驗證據(jù)。如果固體磁性材料中存在自旋超固態(tài)，科學(xué)家將有望實現(xiàn)高效的極低溫固態(tài)制冷。
從預(yù)言到驗證
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)隊基于多年的研究經(jīng)驗，發(fā)展出一系列精確、高效的量子計算方法，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)實驗研究需要在極低溫下對其中的自旋物態(tài)進(jìn)行觀測，極具挑戰(zhàn)性。我們團(tuán)隊制備了高質(zhì)量的鈷基三角晶格材料單晶體，通過多個版本實驗器件的迭代優(yōu)化，攻克了低溫絕熱與變場測溫等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，成功測量了該材料的極低溫磁卡效應(yīng)。
我們團(tuán)隊通過精密的實驗發(fā)現(xiàn)，自旋超固態(tài)既能在量子臨界點附近發(fā)生溫度的急劇下降，同時由于超流引起的量子漲落使得材料在絕熱退磁過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，我們團(tuán)隊還開展了低溫中子衍射實驗。由于材料中的鈷離子磁矩較小，需要基于國際先進(jìn)的中子源實驗站開展0.1K以下信號測量。經(jīng)過多次嘗試，我們團(tuán)隊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)隊還研制了基于量子磁性材料的實際固態(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量功能正在開發(fā)中。
我們期待未來在量子磁性材料的研究進(jìn)展中可以實現(xiàn)更低溫、更高冷量的極低溫制冷技術(shù)，通過基礎(chǔ)研究的不斷突破來推動工程技術(shù)的提升，將實驗室的研究成果轉(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，同時拓展我國相關(guān)大科學(xué)裝置的測試溫度區(qū)間，并助力物質(zhì)科學(xué)、量子科技、空間探測等前沿領(lǐng)域的發(fā)展。
（作者系中國科學(xué)院物理研究所研究員）
責(zé)任編輯：魏敏
