Nature發(fā)文！中國科學(xué)院大學(xué)為無液氦極低溫制冷提供新方案

一個世紀(jì)之前，人類第一次將氦氣液化，從此利用液氦的極低溫制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用。例如一些大科學(xué)裝置、深空探測、材料科學(xué)、量子計算等高技術(shù)領(lǐng)域。然而，低溫技術(shù)中不可缺少的氦元素全球供應(yīng)短缺，有什么方法可以不用氦元素實現(xiàn)極低溫制冷？中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授、中國科學(xué)院物理研究所項俊森博士和孫培杰研究員、中國科學(xué)院理論物理研究所李偉研究員、北京航空航天大學(xué)金文濤副教授等人組成的聯(lián)合研究團隊通過多年研究，在近期實現(xiàn)了無液氦情況下極低溫制冷基礎(chǔ)研究的重要突破，這就為破解我國氦資源短缺的問題提供了解決方案。該科研成果北京時間1月11日發(fā)表于Nature。

超固態(tài)是一種新奇量子物態(tài)，兼具固體和超流體的特征。超固態(tài)自上世紀(jì)七十年代作為理論猜測提出以來，除了冷原子氣的模擬實驗外，人們一直尚未在固態(tài)物質(zhì)中找到超固態(tài)存在的可靠實驗證據(jù)。

最近，中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授、中國科學(xué)院物理研究所項俊森博士和孫培杰研究員、中國科學(xué)院理論物理研究所李偉研究員、北京航空航天大學(xué)金文濤副教授等組成的聯(lián)合研究團隊，在鈷基三角晶格量子磁性材料中，通過理論和實驗研究緊密結(jié)合，證實了阻挫量子磁體中超固態(tài)（自旋超固態(tài)）的存在。這是在實際固體中首次給出超固態(tài)存在的實驗證據(jù)。隨后，他們發(fā)現(xiàn)在自旋超固態(tài)量子臨界點附近，該材料具有巨大的磁熵變，引起巨磁卡效應(yīng)，又通過絕熱去磁過程獲得了94 mK的極低溫，實現(xiàn)了亞開溫區(qū)無液氦極低溫制冷。該效應(yīng)被稱為自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)。

這一新物態(tài)與新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是基礎(chǔ)研究的一項重大突破，也為我國在深空探測、量子科技、物質(zhì)科學(xué)等尖端領(lǐng)域研究的極低溫制冷難題提供了一種新的解決方案。相關(guān)研究成果北京時間1月11日發(fā)表于Nature。

科研人員挑選高質(zhì)量鈷基三角晶格單晶樣品

超固態(tài)之問

固態(tài)物質(zhì)能否同時成為超流體？這是1970年由后來獲得諾貝爾物理獎的英國科學(xué)家A. Leggett提出的著名科學(xué)問題。Leggett最早提議在氦4固體中利用非經(jīng)典轉(zhuǎn)動慣量來探測這種新奇的量子物態(tài)，2004年美國科研團隊報道觀察到單質(zhì)氦超固態(tài)，但隨后被證實缺乏確定性的證據(jù)。

早在1962年，楊振寧先生提出利用約化密度矩陣的非對角長程序來刻畫超流和超導(dǎo)等量子態(tài)，以區(qū)別如原子有序排列的對角長程序。按照這一定義，超固態(tài)是對角長程序和非對角長程序共存的量子物態(tài)。

半個世紀(jì)以來，除了通過冷原子氣模擬超固態(tài)可能存在的證據(jù)外，在固體中人們?nèi)晕凑业匠虘B(tài)存在的確鑿證據(jù)，而尋找這種奇特量子物態(tài)也成為人們的長期研究目標(biāo)。

鈷基三角晶格阻挫量子磁體

近年來，阻挫量子磁性理論與實驗研究的蓬勃發(fā)展為尋找超固態(tài)提供了新機遇。針對三角晶格易軸海森堡反鐵磁模型，量子多體計算研究發(fā)現(xiàn)其自旋面外分量破壞了晶格平移對稱，會形成三子格序，即對角長程序，而面內(nèi)自旋分量破壞了連續(xù)對稱性，會形成二維超流態(tài)，具有非對角長程序。這正是量子磁體中的超固態(tài)，即自旋超固態(tài)。然而，在何種實際固體體系中可以呈現(xiàn)出自旋超固態(tài)，以及是否存在實驗可觀測的新穎效應(yīng)，是有待探索的重要科學(xué)問題。

磷酸鈉鋇鈷鹽Na2BaCo(PO4)2是新近合成的鈷基三角晶格量子反鐵磁體，前期研究觀察到該材料中存在很強的低能自旋漲落，提出可能是量子自旋液體。但進一步的理論研究表明，易軸三角晶格反鐵磁海森堡模型可以很好地描述該鈷基三角磁體，并預(yù)言其中可能存在自旋超固態(tài)。如何證實自旋超固態(tài)的存在，是十分具有挑戰(zhàn)性的問題。

上述聯(lián)合研究團隊通過理論和實驗的密切合作，首次在一個實際量子磁體中發(fā)現(xiàn)了超固態(tài)，中子衍射實驗揭示了三子格對角長程序的存在，而沿面外的非公度序以及后續(xù)非彈性中子散射的實驗結(jié)果揭示了超固態(tài)相中具有無質(zhì)量激發(fā)的戈德斯通模，揭示了非對角長程序的存在，因此該研究給出了Na2BaCo(PO4)2中存在超固態(tài)的證據(jù)。

該聯(lián)合研究團隊還進一步研究了自旋超固態(tài)引起的磁卡效應(yīng)。通過絕熱去磁過程，發(fā)現(xiàn)在自旋超固態(tài)量子臨界點附近，材料的溫度急劇下降，磁場驅(qū)動的溫度下降速率（格林奈森參數(shù)）呈現(xiàn)出很高的尖峰，其峰值高度是目前通用磁性制冷工質(zhì)Gd3Ga5O12的四倍（參見圖1），可以到達94 mK的最低制冷溫度。因此該效應(yīng)可被稱為自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，在自旋超固態(tài)相中，Na2BaCo(PO4)2由于強烈的量子自旋漲落可以維持在很低的制冷溫度，這與其他自旋有序物質(zhì)形成了鮮明對比。這些特性使鈷基三角晶格材料成為亞開溫區(qū)具有重要應(yīng)用前景的無液氦極低溫制冷量子材料。

圖1.自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)。與傳統(tǒng)的順磁鹽材料相比，自旋超固態(tài)磁體的絕熱去磁致冷曲線展現(xiàn)出不同的特征，退磁過程具有更高的降溫速率。左上角的插圖顯示了鈷基三角晶格與自旋超固態(tài)自旋結(jié)構(gòu)。(右) 將Na2BaCo(PO4)2與其他材料的格林奈森參數(shù)進行比較，發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)材料具有顯著的磁致冷峰值（達商用材料Gd3Ga5O12的四倍以上），顯示存在亞開溫區(qū)的巨磁卡效應(yīng)。

無液氦極低溫制冷

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。利用一類特殊磁性物質(zhì)水合順磁鹽的磁卡效應(yīng)，諾貝爾獎獲得者Giauque等人通過絕熱去磁首次實現(xiàn)了顯著低于1開爾文的極低溫。水合順磁鹽中磁性離子分布稀疏，具有很弱的自旋-自旋耦合和極低的居里溫度，雖然可以實現(xiàn)極低溫，但具有磁熵變密度小、穩(wěn)定性差、熱導(dǎo)低等缺點，成為絕熱去磁制冷技術(shù)的發(fā)展瓶頸。

該項研究發(fā)現(xiàn)的自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)，為絕熱去磁制冷技術(shù)提供了新的機理。在當(dāng)前面臨全球氦氣資源供應(yīng)短缺的情況下，絕熱去磁制冷作為一種無需氦資源的冷卻技術(shù)，在深空探測等應(yīng)用中會變得越來越重要，這項技術(shù)也可為量子科技和物質(zhì)科學(xué)等研究提供極低溫制冷。

冰凍三尺非一日之寒

該項研究始于2021年，基于前期的理論研究，蘇剛教授和李偉研究員向物理研究所的項俊森博士和孫培杰研究員提出了研究鈷基阻挫三角晶格材料Na2BaCo(PO4)2低溫物性的建議。此外，高度阻挫的量子磁體低溫性質(zhì)的計算，需要利用先進的量子多體計算方法。蘇剛和李偉等人在這個方向上已經(jīng)進行了10多年的研究，發(fā)展出一系列針對量子多體系統(tǒng)的高精度有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，使得對于阻挫量子磁體的理論計算和實驗結(jié)果的精確對比成為可能。

由于該材料的自旋相互作用能標(biāo)較?。s為1開爾文），這給實驗研究帶來很大挑戰(zhàn)。磁卡效應(yīng)的實驗測量可用于獲取材料的低溫熵，能夠敏感地檢測量子自旋態(tài)和相變。物理研究所孫培杰、項俊森研究團隊克服極低溫測量、漏熱控制等技術(shù)難題，自主研制了高精度絕熱溫變測量器件，不斷迭代改進測量技術(shù)，最終成功地觀察到了自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)。北航金文濤課題組提供了高質(zhì)量單晶樣品，并開展了低溫中子衍射實驗。由于材料中鈷離子磁矩較小，并且測量需要在100 mK以下的低溫條件下進行，實驗也非常困難，經(jīng)過多次嘗試，最終獲得了重要的自旋結(jié)構(gòu)微觀證據(jù)。理論團隊和實驗團隊緊密配合，反復(fù)討論研究細節(jié)，確定最優(yōu)的技術(shù)路線，最終極低溫物性和中子的實驗測量結(jié)果與量子多體理論計算的結(jié)果非常吻合，有力地給出了自旋超固態(tài)存在的證據(jù)。

這項重要科學(xué)突破很好地體現(xiàn)了建制化科研的優(yōu)勢，來自中國科學(xué)院和高校等多個研究單位的理論和實驗團隊通力合作，協(xié)同攻關(guān)，通過基礎(chǔ)研究的源頭創(chuàng)新，導(dǎo)致了一項基于新機理的無液氦極低溫制冷新技術(shù)。

科研人員調(diào)試極低溫制冷平臺

中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授介紹，比如我們把這次發(fā)現(xiàn)的材料放到磁場里面，保持熱量不泄漏的情況下給它退磁，也就是把磁場去掉。慢慢地在降磁場的過程中，材料的溫度就會慢慢地降下去，最后就降到了94毫開（零下273.056攝氏度）。據(jù)了解，極低溫制冷是我國科研領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。這次基礎(chǔ)研究的突破是國際上在實際固體材料中首次給出超固態(tài)存在的實驗證據(jù)。科研團隊未來的工作目標(biāo)是繼續(xù)突破極低溫的極限，并在未來建成無液氦極低溫制冷機。極低溫制冷機可以為例如超導(dǎo)量子計算機提供接近絕對零度的極低溫運行環(huán)境，并且在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、深空探測等前沿技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

審稿人評價該成果“報道了超低溫下對一種復(fù)雜化合物的高質(zhì)量實驗”“理論與實驗的符合極好地支持了該工作的核心結(jié)論”“漂亮的工作展示了自旋超固態(tài)的熵效應(yīng)有多大，會引發(fā)廣泛的研究興趣”，“是一篇很好的論文，涉及凝聚態(tài)物理中有趣和前沿的問題”，Nature高級編輯也評價該成果“之所以引人注目，在于其報道了單晶阻挫磁體中超固態(tài)的證據(jù)和可用于亞開溫區(qū)制冷的源于基本物理發(fā)現(xiàn)的磁熱效應(yīng)，并在一篇論文中報道了兩項進展”。

北京時間1月11日，該項研究成果以為“Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2”題發(fā)表于Nature。蘇剛教授、孫培杰研究員、李偉研究員、金文濤副教授是該論文的共同通訊作者；理所項俊森博士、北航博士生張傳迪、北航-理論物理所彭桓武中心博士生高源是該項工作的共同第一作者。

來源：中國科學(xué)院