大約一個世紀前，人類首次將氦氣液化，開啟了利用液氦進行極低溫制冷的新紀元。隨后，極低溫制冷技術被廣泛應用于大科學裝置、深空探測、材料科學、量子計算等國家安全和戰略高技術領域。
然而，用于極低溫制冷的氦元素存在供應短缺等問題。如何才能不用氦元素實現極低溫制冷，一直是科學家要著力突破的難題。
1月11日，《自然》在線發表了一項關于極低溫制冷的重要進展，來自中國科學院大學、中國科學院物理研究所以及中國科學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現量子自旋超固態存在的實驗證據。他們利用該晶體材料，通過絕熱去磁獲得了94毫開（零下273.056攝氏度）的極低溫，成功實現無液氦極低溫制冷，并將該效應命名為“自旋超固態巨磁卡效應”。
超固態是物質在接近絕對零度（零下273.15攝氏度）時呈現的一種量子態。在這種物態下，物質既有晶體態中原子規則排布的特征，又可以像超流體一樣無摩擦地流動。
事實上，諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特等人在20世紀70年代就提出了“固態物質能否同時成為超流體”的著名科學問題。
“半個世紀以來，除了通過冷原子氣模擬超固態可能存在的證據外，人們仍未在固體中找到超固態存在的確鑿證據，而尋找這種奇特的量子物態也成為科學家的長期研究目標。”論文共同通訊作者、中國科學院大學教授蘇剛說。
磁卡效應是指磁性材料隨外磁場變化而產生顯著溫度變化的現象。利用特殊的磁性物質——順磁鹽的磁卡效應，美國科學家、諾貝爾化學獎得主吉奧克通過絕熱去磁首次實現了顯著低于1開爾文以下的制冷。
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、中國科學院理論物理研究所研究員李偉向中國科學院物理研究所博士項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。
項俊森等人克服極低溫下的漏熱控制與溫度測量等諸多技術難題，經過反復測試、技術迭代，研發了新型低溫測量器件，最終成功觀察到自旋超固態的磁卡效應。
同時，北京航空航天大學副教授金文濤課題組提供了高質量單晶并開展了低溫中子衍射實驗。由于材料中的鈷離子磁矩較小，而且需要在100毫開以下低溫條件下進行測量，實驗非常困難。經過多次嘗試，他們最終獲得了自旋超固態量子相變的微觀證據。
李偉表示，后續工作面臨的最大困難是新器件及制冷機的研發等。如何將實驗室的成果轉化成實際的器件和制冷機，為深空探測或量子計算提供極低溫環境和足夠的冷量，在科學和工程技術方面都面臨一定挑戰。
《自然》審稿人對這項研究給予了高度評價。他們認為，該成果“報道了超低溫下對一種復雜化合物的高質量實驗”“理論與實驗的符合極好地支持了該工作的核心結論”“漂亮的工作展示了自旋超固態的熵效應有多大，會引發廣泛的研究興趣”。
蘇剛表示，這一新物態與新效應的發現是基礎研究的一項重大突破，也為我國在深空探測、量子科技、物質科學等尖端領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）