近日，中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授團(tuán)隊(duì)與合作者利用自己發(fā)展的精確高效有限溫度張量重正化群方法，完整給出了Shastry-Sutherland晶格量子磁性模型的壓力-溫度相圖，發(fā)現(xiàn)該相圖與水的相圖極為相似，同時發(fā)現(xiàn)在臨界點(diǎn)上方的超臨界區(qū)存在一種新奇的量子關(guān)聯(lián)誘導(dǎo)的制冷機(jī)制，命名為超臨界磁壓熱效應(yīng)。該效應(yīng)給出了一種無液氦極低溫制冷的新原理。相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。

阻挫量子磁體在極低溫有顯著的量子漲落，可能涌現(xiàn)出超越朗道-金茲堡-威爾遜對稱破缺范式的新奇物態(tài)和相變，如具有分?jǐn)?shù)化激發(fā)的量子自旋液體和解禁閉的量子臨界點(diǎn)等。由于阻挫量子磁體在極低溫呈現(xiàn)出新穎熱物性、存在高度可調(diào)的巨大磁熵密度，在遠(yuǎn)低于相互作用能標(biāo)的低溫，系統(tǒng)仍然存在很強(qiáng)的自旋漲落，是國際上備受關(guān)注的重要研究方向。

最近，多個實(shí)驗(yàn)組在阻挫磁體SrCu2(BO3)2晶體的高壓熱力學(xué)研究方面取得進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)了方塊聚合自旋單態(tài)存在的比熱證據(jù)，揭示了該磁性材料相圖與水相圖的相似之處，即二者均存在一級相變；終止于一個涌現(xiàn)的孤立臨界點(diǎn)；在高壓下施加磁場的低溫核磁共振測量提供了存在鄰近解禁閉量子臨界點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)等。

實(shí)驗(yàn)研究的快速進(jìn)展，迫切需要理論的支撐和指導(dǎo)。然而，由于高度阻挫和強(qiáng)量子漲落的特點(diǎn)，對該體系開展精確可控的多體理論研究比較困難，特別是有限溫度性質(zhì)的計算還比較缺乏。蘇剛聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用自己發(fā)展的精確高效有限溫度張量重正化群方法，系統(tǒng)給出了與該材料相關(guān)的Shastry-Sutherland阻挫晶格模型的溫度—壓力相圖，發(fā)現(xiàn)在低于系統(tǒng)能標(biāo)兩個數(shù)量級的低溫下，存在對稱破缺的方塊聚合自旋單態(tài)固體相，首次在理論上得到其對應(yīng)的有限溫度相變線及其臨界終點(diǎn)。在方塊自旋單態(tài)上繼續(xù)施加外磁場，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在從方塊單態(tài)到自旋超固態(tài)的量子相變，并給出了實(shí)驗(yàn)可觀測的中子散射和磁熱效應(yīng)等理論預(yù)言。

這些理論結(jié)果印證了最近針對SrCu2(BO3)2晶體材料取得的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。他們同時發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)的涌現(xiàn)臨界點(diǎn)上方超臨界區(qū)，存在著由量子關(guān)聯(lián)變化，即從二聚合自旋單態(tài)到方塊聚合自旋單態(tài)液體，所引起的顯著磁熵效應(yīng)。與傳統(tǒng)磁熱效應(yīng)中磁矩隨外場變化產(chǎn)生有序—無序轉(zhuǎn)變帶來的磁熵變完全不同，這是一種新型的磁無序—無序轉(zhuǎn)變的效應(yīng)，被命名為超臨界磁壓熱效應(yīng)，為無液氦極低溫固體制冷提供了一個新思路。