我国科学家实现无液氦极低温制冷基础研究突破(我国科学家实现无液氦极低温制冷研究突破)

大约一个世纪前，人类首次液化氦气，开创了利用液氦进行超低温制冷的新时代。随后，超低温制冷技术被广泛应用于大型科学装置、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，用于超低温制冷的氦气却存在供应短缺等问题。如何实现无需氦气的超低温制冷，一直是科学家们努力突破的难题。

1月11日《自然》在线发表极低温制冷重要进展。中国科学院大学、中国科学院物理研究所、中国科学院理论物理研究所等研究人员发表了钴基三角晶格存在的实验证据首次在磁性晶体中发现了量子自旋超固体。他们利用这种晶体材料通过绝热退磁获得了94毫开尔文（负273.056摄氏度）的极低温度，成功实现了无需液氦的极低温制冷，并将这种效应命名为“自旋超固体巨磁卡效应”。

超固态是材料在接近绝对零（负273.15摄氏度）时表现出的量子态。在这种物质状态下，物质不仅具有晶体状态下原子规则排列的特征，而且可以像超流体一样无摩擦地流动。

事实上，在20世纪70年代，诺贝尔奖获得者安东尼·莱格特等人就提出了“固体物质能否同时成为超流体？”这一著名的科学问题。

“半个世纪以来，除了通过冷原子气体模拟可能存在超固体外，在固体中还没有发现超固体存在确凿的证据，而寻找这种奇特的物质量子态也成为了长期的课题。科学家的研究目标。”论文共同通讯作者、中国科学院大学教授苏刚表示。

磁卡效应是指磁性材料随着外界磁场变化而产生显着温度变化的现象。美国科学家、诺贝尔化学奖得主吉奥克利用特殊磁性物质——顺磁盐的磁卡效应，首次通过绝热退磁实现了显着低于1开尔文的制冷。

这项最新研究始于2021年。在前期理论研究的基础上，论文共同通讯作者、中科院理论物理研究所研究员苏刚和李伟向博士生提出了钴基材料的研究。中国科学院物理研究所向俊森和孙培杰研究员。关于受挫三角晶格材料——磷酸钴钠钡的低温物理性能的建议。

项俊森等人攻克了漏热控制、极低温下测温等多项技术难题。经过反复测试和技术迭代，他们研发出新型低温测量装置，最终成功观测到自旋超固态的磁卡效应。

与此同时，北航副教授金文涛课题组提供了高质量的单晶，并进行了低温中子衍射实验。由于材料中钴离子的磁矩很小，且需要在100毫开尔文以下的低温下进行测量，因此实验难度很大。经过多次尝试，他们终于获得了自旋超固体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设备和冰箱的研发。如何将实验室成果转化为实际的设备和冰箱，为深空探索或量子计算提供极低温环境和足够的制冷能力，在科学和工程技术上面临一定的挑战。

《自然》 审稿人对本研究给予高度评价。他们认为这个结果“报告了超低温下复杂化合物的高质量实验”“理论与实验之间的一致性极好地支持了这项工作的核心结论”“漂亮的工作展示了自旋超固体的熵效应”它有多大将引发广泛的研究兴趣。”

苏刚表示，这种新物质状态和新效应的发现，是基础研究的重大突破，也为我国在极低温制冷等前沿领域研究中的“卡脖子”问题提供了见解。例如深空探索、量子技术和材料科学。想出了一个新的解决方案。 （卢成宽）