超固態(tài)是一種在接近絕對零度時涌現(xiàn)的新奇量子物態(tài)，兼具固體和超流體這兩種看似矛盾的特征。超固態(tài)自20世紀70年代作為理論猜測提出以來，除了冷原子氣的模擬實驗外，科學(xué)家尚未在固體物質(zhì)中找到超固態(tài)存在的可靠實驗證據(jù)。中國科學(xué)院大學(xué)教授蘇剛、中國科學(xué)院物理研究所研究員孫培杰、中國科學(xué)院理論物理研究員所李偉、北京航空航天大學(xué)副教授金文濤等組成的聯(lián)合研究團隊，在鈷基三角晶格量子磁性材料中，通過理論和實驗研究結(jié)合，首次發(fā)現(xiàn)阻挫量子磁體中超固態(tài)（自旋超固態(tài)）的存在。進一步，研究通過磁場調(diào)控材料經(jīng)歷自旋超固態(tài)量子相變，發(fā)現(xiàn)極低溫巨磁卡效應(yīng)，在絕熱條件下獲得94 mK的極低溫，實現(xiàn)了亞開溫區(qū)無液氦極低溫制冷。這一新物態(tài)與新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是基礎(chǔ)研究的重要突破，為我國在深空探測、量子科技、物質(zhì)科學(xué)研究等領(lǐng)域的極低溫制冷難題提供了新的解決方案。

固體物質(zhì)能否同時具備超流性？這是1970年由A. Leggett提出的科學(xué)問題。Leggett最早提議在氦4固體中利用轉(zhuǎn)動慣量的非經(jīng)典行為來探測這種新奇的量子物質(zhì)。2004年，美國科研團隊報道觀察到單質(zhì)氦超固態(tài)，但隨后被證實缺乏確定性的證據(jù)。1962年，楊振寧提出引入非對角長程序來刻畫超流和超導(dǎo)等宏觀量子態(tài)，以區(qū)別如原子有序排列的經(jīng)典對角長程序。按照這一定義，超固態(tài)是對角與非對角長程序共存的物態(tài)。半個世紀以來，在凝聚態(tài)體系中科學(xué)家仍未找到超固態(tài)存在的確鑿證據(jù)，而尋找這種奇特量子物態(tài)也早已成為超冷原子氣模擬等學(xué)科的研究目標。

近年來，阻挫量子磁性的研究蓬勃發(fā)展，為尋找超固態(tài)提供了新平臺。針對三角晶格易軸海森堡模型，多體計算指出其自旋面外分量破壞晶格平移對稱，形成三子格“固態(tài)”序即對角長程序；而面內(nèi)自旋分量破壞U(1)轉(zhuǎn)動對稱性，形成“超流”序（非對角長程序）。這正是量子磁性中超固態(tài)的對應(yīng)——自旋超固態(tài)。然而，在何種實際體系中可以展現(xiàn)出這種自旋超固態(tài)，以及是否存在實驗可測的新穎效應(yīng)，是有待探索的重要問題。

Na₂BaCo(PO₄)₂是新近合成的鈷基三角晶格量子反鐵磁體。較早的研究觀察到材料中存在很強的低能自旋漲落，提出可能實現(xiàn)了量子自旋液體態(tài)。理論物理所與物理所的理論研究表明，易軸三角晶格海森堡模型可以很好地描述該鈷基三角磁體，并預(yù)言在材料中存在自旋超固態(tài)。如何證實超固態(tài)的存在，是具有挑戰(zhàn)性的問題。通過理論-實驗的合作，聯(lián)合團隊首次在一個實際量子磁體中發(fā)現(xiàn)了自旋超固態(tài)；中子衍射實驗揭示了三子格“固態(tài)”序的存在，支持非對角“超流”序的存在，并提供了Na₂BaCo(PO₄)₂中自旋超固態(tài)量子相變的微觀證據(jù)。

進一步，研究發(fā)現(xiàn)自旋超固態(tài)在極低溫下的巨大磁卡效應(yīng)。在絕熱條件下調(diào)控磁場，科研人員觀察到自旋超固態(tài)量子相變點附近，材料的溫度急劇下降，到達94 mK的最低制冷溫度。絕熱溫變率展現(xiàn)出很高的尖峰，峰值高度是目前通用的制冷工質(zhì)Gd₃Ga₅O₁₂的四倍。此外，在自旋超固相中，Na₂BaCo(PO₄)₂由于強烈的自旋漲落可以保持在很低的制冷溫度，與其他自旋有序物質(zhì)形成鮮明對比。這些特性使得具有巨磁卡效應(yīng)的鈷基磁性晶體成為亞開爾文溫區(qū)具有應(yīng)用前景的極低溫制冷量子材料。

目前極低溫制冷的主要技術(shù)包括氦制冷與磁制冷。前者依賴氦這種稀缺元素的量子漲落強、相互作用弱帶來的特殊低溫特性，而后者目前主要依賴水合順磁鹽工質(zhì)的磁卡效應(yīng)。磁卡效應(yīng)是指磁性材料在磁場作用下產(chǎn)生顯著溫度變化的現(xiàn)象。利用順磁鹽中近乎自由的磁矩，科學(xué)家通過絕熱去磁首次實現(xiàn)了顯著低于1開的極低溫。然而，水合順磁鹽中磁性離子分布稀疏，同時具有磁熵變密度小、穩(wěn)定性差、熱導(dǎo)低等固有缺點。本工作發(fā)現(xiàn)的自旋超固態(tài)致冷，基于多體效應(yīng)，調(diào)控集體激發(fā)實現(xiàn)熵變，與基于順磁性，調(diào)控自由磁矩實現(xiàn)熵變，在制冷原理與機制上存在本質(zhì)區(qū)別，能夠有效地克服后者的固有局限性。在全球氦氣供應(yīng)短缺的情況下，發(fā)展高性能新型制冷技術(shù)在空間應(yīng)用和量子技術(shù)等亟需極低溫環(huán)境的高科技領(lǐng)域具有重要意義。

1月11日，相關(guān)研究成果以Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na₂BaCo(PO₄)₂為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上?！?span style="margin-top: 0px;margin-right: 0px;margin-left: 0px;padding: 0px;border: 0px;list-style: none;margin-bottom: 26px !important;line-height: 32px !important">自然》同時刊發(fā)了題為Spin supersolid with giant magnetocaloric effect promises a new route to extreme cooling的研究簡報，并評價論文“之所以引人注目，在于其報道了單晶阻挫磁體中超固態(tài)的證據(jù)和可用于亞開溫區(qū)制冷的源于基本物理發(fā)現(xiàn)的磁卡效應(yīng)，并在一篇論文中報道了兩項重要進展”。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院-財政部基礎(chǔ)研究領(lǐng)域穩(wěn)定支持青年團隊“基于新原理的無液氦極低溫制冷”項目等的支持。

論文鏈接

研究簡報

自旋超固態(tài)及其巨磁卡效應(yīng)。（左）自旋超固態(tài)是“固態(tài)”（對角長程序）與“超流”（非對角長程序）共存的新奇量子物態(tài)。（右）自旋超固態(tài)絕熱制冷曲線，與傳統(tǒng)的順磁材料相比，展現(xiàn)出不同的特征，退磁過程具有更高的降溫“速率”，插圖顯示鈷基三角晶格結(jié)構(gòu)圖（左上）與晶體照片（右下）。