极低温制冷广泛应用于大科学装置、深空探测、材料科学、量子计算等国家安全和战略高技术领域。然而，过去极低温制冷始终离不开稀缺的氦元素，特别是全球都面临短缺的氦3。
有什么方法可以不用氦元素就能实现极低温制冷?这需要在科学原理上进行改变。
1月11日，《自然》在线刊发中国科学院大学教授苏刚、中国科学院理论物理研究所研究员李伟、中国科学院物理研究所研究员孙培杰、北京航空航天大学副教授金文涛等团队的最新研究成果。通过理论与实验紧密结合，他们在钴基三角晶格磁性晶体中首次发现了量子自旋超固态存在的实验证据，将材料通过绝热去磁可降温至94毫开，与基于材料微观模型的多体计算结果完美吻合。他们还在超固态相变点附近发现巨大的磁制冷效应，并将其命名为“自旋超固态巨磁卡效应”。
《自然》审稿人称，“理论与实验的吻合，极好地支持了工作的核心结论”“漂亮的工作展示了自旋超固态的熵效应可以有多大，这会引发广泛的兴趣”。该研究有望为破解我国尖端领域中极低温制冷氦资源短缺的“卡脖子”难题提供新方案。
突破传统，探索制冷新机制
一个世纪之前，荷兰莱顿大学教授、诺贝尔奖得主海克·卡末林·昂内斯第一次将氦气液化，人类从此进入低温物理世界。
低温让科学家发现了超导、超流等新奇量子效应和现象。如今，低温的应用已日益广泛。虽然绝对零度不可实现，但科学家对低温的追求从未停止。
然而，低温技术中不可缺少的氦元素，全球供应短缺。科学家发现，绝热去磁致冷无需氦资源，这使得该冷却技术在各种应用中变得越来越重要。
“绝热去磁是利用磁卡效应实现极低温制冷的物理过程，而磁卡效应是指磁性材料随外磁场变化而产生显著温度变化的现象。利用特殊的磁性物质——顺磁盐的磁卡效应，美国科学家、诺贝尔奖得主吉奥克通过绝热去磁首次实现了显著低于1开尔文以下的制冷。”苏刚告诉《中国科学报》。
阻挫量子磁性材料有望成为新一代极低温制冷工作介质，有潜力被用于多场调控的无液氦制冷。Na2BaCo(PO4)2就是一种三角晶格阻挫量子磁性材料，此前研究表明该材料是量子自旋液体的候选材料，但通过精确的多体计算和深入分析，科学家发现该材料的基态可能是一种新奇的磁有序状态——自旋超固态。
超固态是一种在接近绝对零度时涌现出的新奇量子物态，在保持固体的长程有序性质的同时，还具有超流性质。诺贝尔物理奖得主安东尼·莱格特等人在上世纪70年代就提出了“固体是否可以同时超流”的著名科学问题。
苏刚说，三角晶格材料的高度阻挫性质蕴含着丰富的量子磁性物态。有人从理论上预言了易轴三角晶格海森堡模型存在超固态的磁性对应——自旋超固态，但在何种材料中可以展现这种状态，以及是否存在与自旋超固态相关的新颖效应，是有待探索的重要问题。
于是，2021年，苏刚、李伟等向中国科学院物理研究所的项俊森和孙培杰提出了研究钴基阻挫三角晶格材料Na2BaCo(PO4)2的低温物性的建议。
吹尽狂沙始到金
开展高度阻挫磁性材料的低温性质计算，需要发展先进的张量网络态方法。过去10多年，李伟和苏刚等人发展出一系列精确、高效的量子多体有限温度张量网络计算方法，使得理论和实验的精确对比成为可能。
从实验角度，这项研究具有很大挑战性。由于材料中自旋相互作用很小，约为1开尔文，因此需要在极低温下对量子自旋物态进行仔细实验观测。
项俊森等人克服极低温下的漏热控制与温度测量等诸多技术难题，反复测试、技术迭代，研发了新型低温测量器件，最终成功观察到自旋超固态的磁卡效应。
同时，金文涛课题组提供了高质量单晶并开展了低温中子衍射实验。由于材料中的钴离子磁矩较小，而且需要在100毫开以下低温条件下进行测量，实验非常困难。经过多次尝试，他们最终获得了自旋超固态量子相变的微观证据。
联合研究团队也将所得结果与量子多体计算进行了比较，首次在一个实际量子磁体中发现了自旋超固态存在的有力证据。他们同时发现，由于强自旋涨落效应，在自旋超固态转变点附近可以观察到温度急剧下降，实现94毫开(零下273.056摄氏度)的极低温。
苏刚表示，该温度处在开展一些重要深空探测任务、天文观测、材料科学研究等所需的温区，并可以作为获得更低温度非常理想的前级制冷，如获得20毫开以下量子计算制冷温区。
研究人员表示，在自旋超固态量子相变点附近，磁场驱动的温度急速下降，相关磁卡效应参数展现出很高的尖峰，其峰值高度是目前通用的顺磁盐制冷工质Gd3Ga5O12的4倍，称为自旋超固态巨磁卡效应。
此外，Na2BaCo(PO4)2材料因其自旋超固态的涨落性质而能够在一定磁场范围内保持很低的制冷温度，与常规自旋有序物质形成鲜明对比。这些特性使得钴基三角晶格系统成为亚开尔文温区具有重要应用前景的极低温制冷量子材料。
期待更快走向应用
“这项研究是科研团队合作精神与建制化科研范式的体现，来自多个研究单位的理论和实验团队通力合作、协同攻关，通过基础研究源头创新驱动极低温制冷的颠覆性技术发展。”苏刚说。
在研究团队看来，该成果还有诸多问题需要进一步研究，比如拓展材料家族中其他新成员、寻找具有更大磁卡效应的材料，设计新型器件以便更好发挥新原理制冷的优势等。
“该研究结果给我们打开了一扇窗。”李伟说，他们的目标是建成基于自旋阻挫材料磁卡效应的无液氦制冷机。
极低温制冷机是多种重要应用的关键核心设备之一，如能够为超导量子计算机提供接近绝对零度的极低温运行环境，还在凝聚态物理、材料科学、深空探测等前沿技术领域应用广泛，是我国科研领域亟待攻克的关键核心技术之一。
然而，极低温制冷机国际供应商以欧美国家为主导，形成长期技术封锁局面。基于新原理的无液氦极低温制冷机还需要多久才能“面世”?
李伟表示，后续工作面临的最大困难是新器件及制冷机的研发等。如何将实验室的成果转化成实际的器件和制冷机，为深空探测或量子计算提供极低温环境和足够的冷量，在科学和工程技术方面都面临一定挑战。
“将科学发现变成一个产品并不容易，中间任何一个环节出现问题都很难走得通。但结合中国科学院内相关研究所的顶尖研究力量，我们相信这条路是能走通的，也希望通过基础研究的不断突破推动工程技术的提升。”
(关键字：制冷)
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