大約一個(gè)世紀(jì)前，人類(lèi)首次將氦氣液化，開(kāi)啟了利用液氦進(jìn)行極低溫制冷的新紀(jì)元。隨后，極低溫制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大科學(xué)裝置、深空探測(cè)、材料科學(xué)、量子計(jì)算等國(guó)家安全和戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域。
然而，用于極低溫制冷的氦元素存在供應(yīng)短缺等問(wèn)題。如何才能不用氦元素實(shí)現(xiàn)極低溫制冷，一直是科學(xué)家要著力突破的難題。
1月11日，《自然》在線(xiàn)發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于極低溫制冷的重要進(jìn)展，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所以及中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所等單位的研究人員，在鈷基三角晶格磁性晶體中首次發(fā)現(xiàn)量子自旋超固態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。他們利用該晶體材料，通過(guò)絕熱去磁獲得了94毫開(kāi)（零下273.056攝氏度）的極低溫，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)液氦極低溫制冷，并將該效應(yīng)命名為“自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)”。
超固態(tài)是物質(zhì)在接近絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度）時(shí)呈現(xiàn)的一種量子態(tài)。在這種物態(tài)下，物質(zhì)既有晶體態(tài)中原子規(guī)則排布的特征，又可以像超流體一樣無(wú)摩擦地流動(dòng)。
事實(shí)上，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安東尼·萊格特等人在20世紀(jì)70年代就提出了“固態(tài)物質(zhì)能否同時(shí)成為超流體”的著名科學(xué)問(wèn)題。
“半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，除了通過(guò)冷原子氣模擬超固態(tài)可能存在的證據(jù)外，人們?nèi)晕丛诠腆w中找到超固態(tài)存在的確鑿證據(jù)，而尋找這種奇特的量子物態(tài)也成為科學(xué)家的長(zhǎng)期研究目標(biāo)。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授蘇剛說(shuō)。
磁卡效應(yīng)是指磁性材料隨外磁場(chǎng)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(guó)科學(xué)家、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主吉奧克通過(guò)絕熱去磁首次實(shí)現(xiàn)了顯著低于1開(kāi)爾文以下的制冷。
此次最新研究始于2021年，基于前期的理論研究，蘇剛和論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員李偉向中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士項(xiàng)俊森和研究員孫培杰提出了研究鈷基阻挫三角晶格材料——磷酸鈉鋇鈷鹽低溫物性的建議。
項(xiàng)俊森等人克服極低溫下的漏熱控制與溫度測(cè)量等諸多技術(shù)難題，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試、技術(shù)迭代，研發(fā)了新型低溫測(cè)量器件，最終成功觀(guān)察到自旋超固態(tài)的磁卡效應(yīng)。
同時(shí)，北京航空航天大學(xué)副教授金文濤課題組提供了高質(zhì)量單晶并開(kāi)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(kāi)以下低溫條件下進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)非常困難。經(jīng)過(guò)多次嘗試，他們最終獲得了自旋超固態(tài)量子相變的微觀(guān)證據(jù)。
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(cè)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)。
《自然》審稿人對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)。他們認(rèn)為，該成果“報(bào)道了超低溫下對(duì)一種復(fù)雜化合物的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)”“理論與實(shí)驗(yàn)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(huì)引發(fā)廣泛的研究興趣”。
蘇剛表示，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(xiàng)重大突破，也為我國(guó)在深空探測(cè)、量子科技、物質(zhì)科學(xué)等尖端領(lǐng)域研究的極低溫制冷“卡脖子”難題提供了一種新的解決方案。
（記者 陸成寬）