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大约一个世纪前，人类首次将氦气液化，开启了利用液氦进行极低温制冷的新纪元。随后，极低温制冷技术被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，用于极低温制冷的氦元素存在供应短缺等问题。如何才能不用氦元素实现极低温制冷，一直是科学家要着力突破的难题。
1月11日，《自然》在线发表了一项关于极低温制冷的重要进展，来自中国科学院大学、中国科学院物理研究所以及中国科学院理论物理研究所等单位的研究人员，在钴基三角晶格磁性晶体中首次发现量子自旋超固态存在的实验证据。他们利用该晶体材料，通过绝热去磁获得了94毫开的极低温，成功实现无液氦极低温制冷，并将该效应命名为“自旋超固态巨磁卡效应”。
超固态是物质在接近绝对零度时呈现的一种量子态。在这种物态下，物质既有晶体态中原子规则排布的特征，又可以像超流体一样无摩擦地流动。
事实上，诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特等人在20世纪70年代就提出了“固态物质能否同时成为超流体”的著名科学问题。
“半个世纪以来，除了通过冷原子气模拟超固态可能存在的证据外，人们仍未在固体中找到超固态存在的确凿证据，而寻找这种奇特的量子物态也成为科学家的长期研究目标。”论文共同通讯作者、中国科学院大学教授苏刚说。
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、诺贝尔化学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。
此次最新研究始于2021年，基于前期的理论研究，苏刚和论文共同通讯作者、中国科学院理论物理研究所研究员李伟向中国科学院物理研究所博士项俊森和研究员孙培杰提出了研究钴基阻挫三角晶格材料——磷酸钠钡钴盐低温物性的建议。
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，经过反复测试、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，北京航空航天大学副教授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。
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。
《自然》审稿人对这项研究给予了高度评价。他们认为，该成果“报道了超低温下对一种复杂化合物的高质量实验”“理论与实验的符合极好地支持了该工作的核心结论”“漂亮的工作展示了自旋超固态的熵效应有多大，会引发广泛的研究兴趣”。
苏刚表示，这一新物态与新效应的发现是基础研究的一项重大突破，也为我国在深空探测、量子科技、物质科学等尖端领域研究的极低温制冷“卡脖子”难题提供了一种新的解决方案。
发布时间：2024-01-12 09:01
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