苏刚团队在无液氦极低温制冷研究方面取得进展

雷克儿

超固态是一种新奇量子物态，兼具固体和超流体的特征。超固态自上世纪七十年代作为理论猜测提出以来，除了冷原子气的模拟实验外，人们一直尚未在固态物质中找到超固态存在的可靠实验证据。

　　最近，中国科学院大学苏刚教授、中国科学院物理研究所项俊森博士和孙培杰研究员、中国科学院理论物理研究所李伟研究员、北京航空航天大学金文涛副教授等组成的联合研究团队，在钴基三角晶格量子磁性材料中，通过理论和实验研究紧密结合，证实了阻挫量子磁体中超固态（自旋超固态）的存在。这是在实际固体中首次给出超固态存在的实验证据。随后，他们发现在自旋超固态量子临界点附近，该材料具有巨大的磁熵变，引起巨磁卡效应，又通过绝热去磁过程获得了94 mK的极低温，实现了亚开温区无液氦极低温制冷。该效应被称为自旋超固态巨磁卡效应。

　　 这一新物态与新效应的发现是基础研究的一项重大突破，也为我国在深空探测、量子科技、物质科学等尖端领域研究的极低温制冷难题提供了一种新的解决方案。相关研究成果北京时间1月11日发表于Nature。

　　超固态之问

　　 固态物质能否同时成为超流体？这是1970年由后来获得诺贝尔物理奖的英国科学家A. Leggett提出的著名科学问题。Leggett最早提议在氦4固体中利用非经典转动惯量来探测这种新奇的量子物态，2004年美国科研团队报道观察到单质氦超固态，但随后被证实缺乏确定性的证据。

　　早在1962年，杨振宁先生提出利用约化密度矩阵的非对角长程序来刻画超流和超导等量子态，以区别如原子有序排列的对角长程序。按照这一定义，超固态是对角长程序和非对角长程序共存的量子物态。

　　半个世纪以来，除了通过冷原子气模拟超固态可能存在的证据外，在固体中人们仍未找到超固态存在的确凿证据，而寻找这种奇特量子物态也成为人们的长期研究目标。

　　钴基三角晶格阻挫量子磁体

　　近年来，阻挫量子磁性理论与实验研究的蓬勃发展为寻找超固态提供了新机遇。针对三角晶格易轴海森堡反铁磁模型，量子多体计算研究发现其自旋面外分量破坏了晶格平移对称，会形成三子格序，即对角长程序，而面内自旋分量破坏了连续对称性，会形成二维超流态，具有非对角长程序。这正是量子磁体中的超固态，即自旋超固态。然而，在何种实际固体体系中可以呈现出自旋超固态，以及是否存在实验可观测的新颖效应，是有待探索的重要科学问题。

　　磷酸钠钡钴盐Na2BaCo(PO4)2是新近合成的钴基三角晶格量子反铁磁体，前期研究观察到该材料中存在很强的低能自旋涨落，提出可能是量子自旋液体。但进一步的理论研究表明，易轴三角晶格反铁磁海森堡模型可以很好地描述该钴基三角磁体，并预言其中可能存在自旋超固态。如何证实自旋超固态的存在，是十分具有挑战性的问题。

　　上述联合研究团队通过理论和实验的密切合作，首次在一个实际量子磁体中发现了超固态，中子衍射实验揭示了三子格对角长程序的存在，而沿面外的非公度序以及后续非弹性中子散射的实验结果揭示了超固态相中具有无质量激发的戈德斯通模，揭示了非对角长程序的存在，因此该研究给出了Na2BaCo(PO4)2中存在超固态的证据。

　　该联合研究团队还进一步研究了自旋超固态引起的磁卡效应。通过绝热去磁过程，发现在自旋超固态量子临界点附近，材料的温度急剧下降，磁场驱动的温度下降速率（格林奈森参数）呈现出很高的尖峰，其峰值高度是目前通用磁性制冷工质Gd3Ga5O12的四倍（参见图1），可以到达94 mK的最低制冷温度。因此该效应可被称为自旋超固态巨磁卡效应。研究发现，在自旋超固态相中，Na2BaCo(PO4)2由于强烈的量子自旋涨落可以维持在很低的制冷温度，这与其他自旋有序物质形成了鲜明对比。这些特性使钴基三角晶格材料成为亚开温区具有重要应用前景的无液氦极低温制冷量子材料。