Nature：中国科学家提出新概念！探索极低温制冷技术！

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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

对具有新量子序的奇特物质态的追求构成了现代凝聚态物理的一大主题。超固体是一种奇特的物质量子态，由形成不可压缩固体结构的粒子组成，同时表现出零粘度的超流动性，是基础研究长期追求的目标之一。

关键问题

然而，超固体的研究仍存在以下问题：

1、在凝聚态物质中实现超固体仍十分困难

尽管最初⁴He超固体的报道被证明是人工产物，但这种有趣的量子物质激发了人们对超冷量子气体的热情研究。然而，在凝聚态物质中实现超固体仍然很困难。

2、超固体的原型系统仍有待在实验中发现

量子磁模拟推测了3D高自旋铬尖晶石化合物MnCr₂S₄的自旋超固体。然而，MnCr₂S₄的精确量子自旋模型及其相图的全面理解仍然难以实现，最终的超固体原型系统仍有待在实验中发现。

新思路

有鉴于此，中科院物理所孙培杰、中国科学院大学苏刚、中科院理论物理研究所李伟、北京航空航天大学金文涛等人在最近合成的三角晶格反铁磁体Na₂BaCo(PO₄)₂中发现了超固体的量子磁性类似物-自旋超固体的证据。值得注意的是，在退磁冷却过程中观察到与自旋超固体相关的巨磁热效应，表现为两个显著的类谷区，最低温度达到100mK以下。作者不仅实验上确定了一系列临界场，而且退磁冷却曲线也与采用easy-axis Heisenberg模型的理论模拟吻合得很好。中子衍射还成功地定位了所提出的自旋超固体相，揭示了三个亚晶格自旋固体有序和层间不可公度的共存，表明了自旋超流性。因此，该结果揭示了受阻量子磁体中自旋超固相的强熵效应，并为极低温制冷开辟了一条可行的和有前途的应用途径，特别是在持续关注氦短缺的背景下。

技术方案：

1、制备了三角晶格化合物

作者合成了高质量的NBCP单晶样品，用于磁热和中子衍射研究，并证明了其可以产生一个上-上-下(UUD)自旋固体和两个自旋超固体相(Y、V状态)。

2、提出了旋转超固体冷却概念

作者提出了自旋超固体冷却的概念，并通过实验结果表明NBCP是一种具有出色冷却性能的卓越亚开尔文制冷剂。

3、绘制了NBCP的场温相图

作者收集了多次测量确定的临界场，在B//c轴下绘制了NBCP相图，表面存在一个圆顶状的上边界，将UUD(II)和顺磁相(IV)分开。

4、通过低温中子衍射提供自旋超固体的微观证据

作者通过单晶中子衍射测量提供了NBCP中自旋超固体的微观证据，证实了磁有序和自旋超固体相的强烈波动的共存。

技术优势：

1、利用磁热效应克服了极低温度下自旋超固体探测的瓶颈

在极低的温度下探测自旋超固体面临着巨大的实验挑战，新相的关键特性之一是熵景观。对于量子磁体，可以通过测量磁热效应（MCE）来获得，作者通过MCE测量可灵敏地检测分离不同自旋态的QCP，从而绘制出相图。

2、开发了无液氦极低温制冷基础研究方法

作者在Na₂BaCo(PO₄)₂中发现了超固体的量子磁性类似物-自旋超固体的证据，最低温度达到100mK以下，为极低温制冷开辟了一条可行的和有前途的应用途径。

技术细节

三角晶格化合物

作者合成了高质量的NBCP单晶样品，用于磁热和中子衍射研究，其中Co²⁺离子在完美的三角形晶格上构成有效的S=1/2自旋。Co²⁺离子的自旋轨道矩之间的磁相互作用遵循D_3d位点对称性。通过对NBCP易轴TLAF模型的多体模拟，预测在面外场(B//c)下，可以产生一个上-上-下(UUD)自旋固体和两个自旋超固体相(Y、V状态)。通过精确的硬核玻色子映射，UUD态对应于具有部分（三分之二）填充的带隙玻色子莫特绝缘体。另一方面，Y态和V态是超固态，同时表现出电荷密度波和超流体序。

图 自旋超固体冷却、自旋玻色子映射和U(1)相波动的图示

旋转超固体冷却

NBCP样品通过准绝热退磁过程从初始条件T₀=2K和B₀=4T冷却到低至94mK（接近1.5T）。此外，还有两个类谷区，其中样品温度大幅降低并维持在低值。显着观察结果可以用易轴TLAF模型进行定量解释，达到的最低温度(94mK)仍然略高于约71mK的模拟值，这可能是由于准绝热冷却阶段的热泄露。作者提出了自旋超固体冷却的概念，当施加的磁场驱动系统从相关的顺磁（液体）自旋态进入超固相时，会发生巨大且持续的磁热响应。通过实验结果表明NBCP是一种具有出色冷却性能的卓越亚开尔文制冷剂。

图 NBCP的准绝热退磁冷却和低温热容

场温相图

尽管NBCP中的自旋超固相只能在非常低的温度下才能显现出来，但其观测除了退磁过程中自身的巨大MCE外，不依赖于额外的冷却资源。即使在亚开尔文状态（T₀≅ 90mK）深处，系统也可以达到约50mK，清楚地显示了自旋超固体和相关的QCP。作者收集了多次测量确定的临界场，在B//c轴下绘制了NBCP相图。结果表明相图存在一个圆顶状的上边界，将UUD (II)和顺磁相(IV)分开。I相（Y态）和III相（V态）构成超固态的量子自旋类似物。

图 低温MCE、场致量子相变和场-温度相图

中子衍射

为了提供NBCP中自旋超固体的微观证据，作者在零场和有限场下进行了单晶中子衍射测量。从300mK冷却到30mK时，在零场中可以观察到额外的反射，表明自旋有序的发生。作者显示了不同视场下的衍射强度，与密度矩阵重整化群(DMRG)结果非常相似。在超固体相（Y和V状态）中，相互缠绕的自旋固体和超流体有序共存，而在UUD相中，仅存在固体有序。在95 mK时，Y相和V相的磁衍射强度均明显弱于UUD态，表明有序矩要小得多。这些发现支持了磁有序和自旋超固体相的强烈波动的共存。

图 低温中子衍射

展望

在理论提出近二十年之后，作者通过相互佐证的磁热和中子测量，确定了三角晶格磁体NBCP中超固态的实验特征，并得到了理论计算的进一步支持。NBCP中的亚开尔文MCE响应比迄今为止研究的其他磁性材料大得多。阻挫量子磁体不仅为探索新的自旋态提供了一个通用而强大的平台，而且与水合物顺磁冷却剂相比，它们还具有由量子临界和阻挫效应增强的强自旋涨落、较高的磁性离子密度和良好的化学稳定性。这些优点为它们在量子技术和空间应用中的极低温制冷开辟了一条有前途的途径。

参考文献：

Xiang, J., Zhang, C., Gao, Y. et al. Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na₂BaCo(PO₄)₂. Nature 625, 270–275 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w