極低溫制冷廣泛應用于大科學裝置、深空探測、氫能儲運、材料科學、量子計算等國家安全和戰(zhàn)略高技術領域，然而，過去極低溫制冷始終離不開稀缺的氦元素，特別是面臨全球短缺的氦3，有什么方法可不用氦元素實現(xiàn)極低溫制冷？
這需要在科學原理上進行改變。
1月11日，《自然》雜志在線刊發(fā)中國科學院大學教授蘇剛、中國科學院理論物理研究所研究員李偉、中國科學院物理研究所研究員孫培杰、北京航空航天大學金文濤等團隊的最新研究成果。通過理論與實驗緊密結合，他們在鈷基三角晶格磁性晶體中，首次發(fā)現(xiàn)了量子自旋超固態(tài)存在的實驗證據(jù)，將材料通過絕熱去磁可降溫至94毫開，與基于材料微觀模型的多體計算結果完美吻合。他們在超固態(tài)相變點附近發(fā)現(xiàn)巨大的磁制冷效應，并命名該效應為“自旋超固態(tài)巨磁卡效應”。
《自然》審稿人稱：“理論與實驗的符合極好地支持了工作的核心結論”“漂亮的工作展示了自旋超固態(tài)的熵效應可以有多大，會引發(fā)廣泛的興趣”。該研究有望為破解我國尖端領域中極低溫制冷氦資源短缺的“卡脖子”困難提供新方案。
突破傳統(tǒng)，探索新機制致冷
一個世紀之前，萊頓大學教授、諾貝爾獎得主海克·卡末林·昂內(nèi)斯第一次將氦氣液化，從此人類進入低溫物理世界。
低溫，讓科學家發(fā)現(xiàn)了超導、超流等新奇量子效應和現(xiàn)象。現(xiàn)如今，低溫的應用越發(fā)廣泛，雖然絕對零度不可實現(xiàn)，但科學家對低溫的追求從未停止。
然而，低溫技術中不可缺少的氦元素全球供應短缺，科學家發(fā)現(xiàn)，絕熱去磁致冷無需氦資源，該冷卻技術在各種應用中變得越來越重要。
“絕熱去磁是利用磁卡效應實現(xiàn)極低溫制冷的物理過程，而磁卡效應是指磁性材料隨外磁場變化而產(chǎn)生顯著溫度變化的現(xiàn)象，利用特殊的磁性物質(zhì)——順磁鹽的磁卡效應，美國科學家、諾貝爾獎得主吉奧克通過絕熱去磁首次實現(xiàn)了顯著低于1開爾文以下的制冷。”蘇剛告訴《中國科學報》。
阻挫量子磁性材料有望成為新一代極低溫制冷工質(zhì)，有潛力被用于多場調(diào)控的無液氦制冷。Na2BaCo(PO4)2就是一種三角晶格阻挫量子磁性材料，此前研究表明該材料是量子自旋液體的候選材料，但通過精確地多體計算和深入分析，科學家發(fā)現(xiàn)該材料的基態(tài)可能是一種新奇的磁有序狀態(tài)——自旋超固態(tài)。
超固態(tài)是一種在接近絕對零度時涌現(xiàn)出的新奇量子物態(tài)，在保持固體的長程有序性質(zhì)的同時，還具有超流的性質(zhì)。諾貝爾物理獎得主安東尼·萊格特等人在上世紀70年代就提出了“固體是否可以同時超流”的著名科學問題。
蘇剛說，三角晶格材料的高度阻挫性質(zhì)蘊含著豐富的量子磁性物態(tài)。有人從理論上預言了易軸三角晶格海森堡模型存在超固態(tài)的磁性對應——自旋超固態(tài)，但在何種材料中可以展現(xiàn)這種狀態(tài)，以及是否存在與自旋超固態(tài)相關的新穎效應，是有待探索的重要問題。
于是，2021年，蘇剛、李偉等向中國科學院物理研究所的項俊森和孫培杰提出了研究鈷基阻挫三角晶格材料Na2BaCo(PO4)2的低溫物性的建議。
李偉（左一）蘇剛（左二）與團隊成員討論（王一鳴/攝）
淘盡黃沙始到金
開展高度阻挫磁性材料的低溫性質(zhì)計算，需要發(fā)展先進的張量網(wǎng)絡態(tài)方法。過去10多年，李偉和蘇剛等人發(fā)展出一系列精確高效的量子多體有限溫度張量網(wǎng)絡計算方法，使得理論和實驗的精確對比成為可能。
從實驗角度，這項研究具有很大挑戰(zhàn)，由于材料中自旋相互作用很小（約為1開爾文），需要在極低溫下對量子自旋物態(tài)進行仔細實驗觀測。
項俊森等人克服極低溫下的漏熱控制與溫度測量等諸多技術難題，反復測試、技術迭代，研發(fā)了新型低溫測量器件，最終成功地觀察到了自旋超固態(tài)的磁卡效應。
同時，北京航空航天大學金文濤課題組提供了高質(zhì)量單晶并開展了低溫中子衍射實驗，由于材料中的鈷離子磁矩較小，而且需要在100毫開以下的低溫條件下進行測量，實驗非常困難。經(jīng)過多次嘗試，他們最終獲得了自旋結構微觀證據(jù)。
聯(lián)合研究團隊也將所得結果與量子多體計算進行了比較，首次在一個實際量子磁體中發(fā)現(xiàn)了自旋超固態(tài)存在的有力證據(jù)。他們同時發(fā)現(xiàn)，由于強自旋漲落效應，在自旋超固態(tài)轉(zhuǎn)變點附近可以觀察到溫度急劇下降，實現(xiàn)94毫開（零下273.056度）的極低溫。
蘇剛表示，該溫度處在開展一些重要深空探測任務、天文觀測、材料科學研究等所需的溫區(qū)，并可以作為獲得更低溫度（如20毫開以下量子計算制冷溫區(qū)）非常理想的前級制冷。
在自旋超固態(tài)量子相變點附近，磁場驅(qū)動的溫度急速下降，相關磁卡效應參數(shù)展現(xiàn)出很高的尖峰，其峰值高度是目前通用的順磁鹽制冷工質(zhì)Gd3Ga5O12的四倍，稱為自旋超固態(tài)巨磁卡效應。
此外，Na2BaCo(PO4)2材料因其自旋超固態(tài)的漲落性質(zhì)而能夠在一定磁場范圍內(nèi)保持很低的制冷溫度，與常規(guī)自旋有序物質(zhì)形成鮮明對比。這些特性使得鈷基三角晶格系統(tǒng)成為亞開爾文溫區(qū)具有重要應用前景的極低溫制冷量子材料。
期待更快走向應用
“這項研究是科研團隊合作精神與建制化科研范式的體現(xiàn)，來自多個研究單位的理論和實驗團隊通力合作，協(xié)同攻關，通過基礎研究源頭創(chuàng)新驅(qū)動極低溫制冷的顛覆性技術發(fā)展。”蘇剛說。
在研究團隊看來，該成果還有諸多問題需要進一步研究，比如拓展材料家族中其它新成員、尋找具有更大磁卡效應的材料，設計新型器件以便更好發(fā)揮新原理制冷的優(yōu)勢等。
“該研究的結果給我們打開了一扇窗。”李偉說，他們的目標是建成基于自旋阻挫材料磁卡效應的無液氦制冷機。
極低溫制冷機多種重要應用的關鍵核心設備之一，比如能夠為超導量子計算機提供接近絕對零度的極低溫運行環(huán)境，還在凝聚態(tài)物理、材料科學、深空探測等前沿技術領域應用廣泛，是我國科研領域亟待攻克的關鍵核心技術之一。
然而，極低溫制冷機國際供應商以歐美國家為主導，形成長期技術封鎖局面。基于新原理的無液氦極低溫制冷機還需多久才能“面世”？
李偉表示，后續(xù)工作中最大的困難是新器件及制冷機的研發(fā)等，如何將實驗室的成果轉(zhuǎn)化成實際的器件和制冷機，為深空探測或量子計算提供極低溫環(huán)境和足夠的冷量，科學和工程技術上都面臨一定的挑戰(zhàn)。
“從科學發(fā)現(xiàn)變成一個產(chǎn)品并不容易，中間任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都很難走得通，團隊結合了中國科學院內(nèi)相關研究所的頂尖研究力量，包括理論物理所、物理所、國科大、理化所等。我們相信這條路是通的，也希望通過基礎研究的不斷突破來推動工程技術的提升。”
研發(fā)團隊（王一鳴/攝）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w
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