極低溫制冷廣泛應(yīng)用于大科學(xué)裝置、深空探測、材料科學(xué)、量子計(jì)算等國家安全和戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域。然而，過去極低溫制冷始終離不開稀缺的氦元素，特別是全球都面臨短缺的氦3。

有什么方法可以不用氦元素就能實(shí)現(xiàn)極低溫制冷?這需要在科學(xué)原理上進(jìn)行改變。

1月11日，《自然》在線刊發(fā)中國科學(xué)院大學(xué)教授蘇剛、中國科學(xué)院理論物理研究所研究員李偉、中國科學(xué)院物理研究所研究員孫培杰、北京航空航天大學(xué)副教授金文濤等團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。通過理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)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(shí)驗(yàn)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(jì)算結(jié)果完美吻合。他們還在超固態(tài)相變點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)巨大的磁制冷效應(yīng)，并將其命名為“自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)”。

《自然》審稿人稱，“理論與實(shí)驗(yàn)的吻合，極好地支持了工作的核心結(jié)論”“漂亮的工作展示了自旋超固態(tài)的熵效應(yīng)可以有多大，這會引發(fā)廣泛的興趣”。該研究有望為破解我國尖端領(lǐng)域中極低溫制冷氦資源短缺的“卡脖子”難題提供新方案。

突破傳統(tǒng)，探索制冷新機(jī)制

一個世紀(jì)之前，荷蘭萊頓大學(xué)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，人類從此進(jìn)入低溫物理世界。

低溫讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)、超流等新奇量子效應(yīng)和現(xiàn)象。如今，低溫的應(yīng)用已日益廣泛。雖然絕對零度不可實(shí)現(xiàn)，但科學(xué)家對低溫的追求從未停止。

然而，低溫技術(shù)中不可缺少的氦元素，全球供應(yīng)短缺�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，絕熱去磁致冷無需氦資源，這使得該冷卻技術(shù)在各種應(yīng)用中變得越來越重要。

“絕熱去磁是利用磁卡效應(yīng)實(shí)現(xiàn)極低溫制冷的物理過程，而磁卡效應(yīng)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(yīng)，美國科學(xué)家、諾貝爾獎得主吉奧克通過絕熱去磁首次實(shí)現(xiàn)了顯著低于1開爾文以下的制冷。”蘇剛告訴《中國科學(xué)報》。

阻挫量子磁性材料有望成為新一代極低溫制冷工作介質(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，但通過精確的多體計(jì)算和深入分析，科學(xué)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，還具有超流性質(zhì)。諾貝爾物理獎得主安東尼·萊格特等人在上世紀(jì)70年代就提出了“固體是否可以同時超流”的著名科學(xué)問題。

蘇剛說，三角晶格材料的高度阻挫性質(zhì)蘊(yùn)含著豐富的量子磁性物態(tài)。有人從理論上預(yù)言了易軸三角晶格海森堡模型存在超固態(tài)的磁性對應(yīng)——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(guān)的新穎效應(yīng)，是有待探索的重要問題。

于是，2021年，蘇剛、李偉等向中國科學(xué)院物理研究所的項(xiàng)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。

吹盡狂沙始到金

開展高度阻挫磁性材料的低溫性質(zhì)計(jì)算，需要發(fā)展先進(jìn)的張量網(wǎng)絡(luò)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(luò)計(jì)算方法，使得理論和實(shí)驗(yàn)的精確對比成為可能。

從實(shí)驗(yàn)角度，這項(xiàng)研究具有很大挑戰(zhàn)性。由于材料中自旋相互作用很小，約為1開爾文，因此需要在極低溫下對量子自旋物態(tài)進(jìn)行仔細(xì)實(shí)驗(yàn)觀測。

項(xiàng)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(shù)難題，反復(fù)測試、技術(shù)迭代，研發(fā)了新型低溫測量器件，最終成功觀察到自旋超固態(tài)的磁卡效應(yīng)。

同時，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(shí)驗(yàn)。由于材料中的鈷離子磁矩較小，而且需要在100毫開以下低溫條件下進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)非常困難。經(jīng)過多次嘗試，他們最終獲得了自旋超固態(tài)量子相變的微觀證據(jù)。

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)也將所得結(jié)果與量子多體計(jì)算進(jìn)行了比較，首次在一個實(shí)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(qiáng)自旋漲落效應(yīng)，在自旋超固態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近可以觀察到溫度急劇下降，實(shí)現(xiàn)94毫開(零下273.056攝氏度)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(wù)、天文觀測、材料科學(xué)研究等所需的溫區(qū)，并可以作為獲得更低溫度非常理想的前級制冷，如獲得20毫開以下量子計(jì)算制冷溫區(qū)。

研究人員表示，在自旋超固態(tài)量子相變點(diǎn)附近，磁場驅(qū)動的溫度急速下降，相關(guān)磁卡效應(yīng)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4倍，稱為自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)。

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(yīng)用前景的極低溫制冷量子材料。

期待更快走向應(yīng)用

“這項(xiàng)研究是科研團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通力合作、協(xié)同攻關(guān)，通過基礎(chǔ)研究源頭創(chuàng)新驅(qū)動極低溫制冷的顛覆性技術(shù)發(fā)展。”蘇剛說。

在研究團(tuán)隊(duì)看來，該成果還有諸多問題需要進(jìn)一步研究，比如拓展材料家族中其他新成員、尋找具有更大磁卡效應(yīng)的材料，設(shè)計(jì)新型器件以便更好發(fā)揮新原理制冷的優(yōu)勢等。

“該研究結(jié)果給我們打開了一扇窗。”李偉說，他們的目標(biāo)是建成基于自旋阻挫材料磁卡效應(yīng)的無液氦制冷機(jī)。

極低溫制冷機(jī)是多種重要應(yīng)用的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，如能夠?yàn)槌瑢?dǎo)量子計(jì)算機(jī)提供接近絕對零度的極低溫運(yùn)行環(huán)境，還在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、深空探測等前沿技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是我國科研領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。

然而，極低溫制冷機(jī)國際供應(yīng)商以歐美國家為主導(dǎo)，形成長期技術(shù)封鎖局面。基于新原理的無液氦極低溫制冷機(jī)還需要多久才能“面世”?

李偉表示，后續(xù)工作面臨的最大困難是新器件及制冷機(jī)的研發(fā)等。如何將實(shí)驗(yàn)室的成果轉(zhuǎn)化成實(shí)際的器件和制冷機(jī)，為深空探測或量子計(jì)算提供極低溫環(huán)境和足夠的冷量，在科學(xué)和工程技術(shù)方面都面臨一定挑戰(zhàn)。

“將科學(xué)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。但結(jié)合中國科學(xué)院內(nèi)相關(guān)研究所的頂尖研究力量，我們相信這條路是能走通的，也希望通過基礎(chǔ)研究的不斷突破推動工程技術(shù)的提升。”

(關(guān)鍵字：制冷)