我国科学家提出无需利用液氦的极低温制冷新思路

从中国科学院大学获悉，由该校苏刚教授和中国科学院理论物理所李伟研究员组成的联合研究团队，运用先进的有限温度张量网络态方法，发现了由拓扑激发所引发的巨大磁卡效应，并提出一种无需利用液氦的极低温制冷新思路，为吉塔耶夫磁体可能的应用指明了新方向。相关研究成果发表于《自然·通讯》上。

在部分顺磁盐中，人们发现其自由磁性离子会引发显著的磁卡效应，可利用顺磁盐水合物通过绝热去磁来达成亚开温区的低温制冷，当前传统的绝热去磁制冷大多采用这一技术路线。尽管利用顺磁盐制冷的效率较高，然而顺磁盐存在磁性离子密度较低、含水结构导致的化学稳定性较差、热导率较低以及具有腐蚀性等固有缺陷，在很大程度上限制了顺磁盐作为制冷工质在实际应用中的表现。

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阻挫量子磁体通常具备较高的磁性离子密度、强烈的自旋涨落以及磁激发带来的增强热导等，并且材料结构稳定，可作为新型的磁制冷工质，有望实现极低温的固态制冷。吉塔耶夫量子自旋液体由于阻挫效应与量子涨落的共同作用，即便在远低于相互作用能标的低温甚至零温时也不会形成磁有序，其低能拓扑激发会携带巨大的低温熵，通过外场的有效调控能够实现显著的磁卡效应，进而实现拓扑激发极低温制冷，这为探索新型固态制冷机制开辟了一条新途径。

研究团队利用自行开发的精确高效有限温度张量网络态方法，经大规模计算系统地给出了铁磁及反铁磁吉塔耶夫蜂巢晶格阻挫模型的温度—磁场相图。研究发现，铁磁系统在中间温度区间的分数液体相存在显著的磁卡效应。同时，研究团队通过热力学计算发现，在反铁磁情形下，中间磁场相为无能隙的U(1)量子自旋液体相，其具有自旋子（spinon）费米面，展现出巨大的低温熵以及更为显著的磁卡效应，通过绝热去磁能够实现极低温固态制冷。研究结果表明，该系统中的制冷机制不同于传统磁热效应中单个磁矩随外场变化而带来的磁熵变，这是一种由系统中的拓扑激发及演生规范场等集体激发所引发的新型磁卡效应，被命名为拓扑激发磁卡效应。

研究团队还对吉塔耶夫磁体的候选材料如何实现拓扑激发磁卡效应进行了研究。通过探讨材料中可能存在的海森堡等非吉塔耶夫相互作用对磁卡效应的影响，发现系统的自旋分数化现象和拓扑激发稳定地存在于一定的能量/温度范围，由拓扑激发所引起的磁卡效应具有鲁棒性。该项研究表明，吉塔耶夫量子磁体不仅在实现拓扑量子计算方面具有重要的科学价值，而且在无液氦极低温固态制冷领域同样有着潜在的广阔应用前景。