Nature | 苏刚/金文涛/孙培杰/李伟实现无液氦极低温制冷基础研究突破

超固体是一种奇异的物质量子态，它由粒子组成，形成不可压缩的固体结构，同时表现出零粘度的超流动性，是基础研究的长期追求之一。尽管关于He超固体的最初报道最终被证明是人造的，但这种有趣的量子物质激发了人们对超冷量子气体的热情研究。然而，在凝聚态物质中实现超固体仍然是难以捉摸的。

2024年1月10日，中国科学院大学苏刚、北京航空航天大学金文涛、中国科学院物理研究所孙培杰及中国科学院理论物理研究所李伟共同通讯在Nature 在线发表题为“Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2”的研究论文，该研究报道了自旋超固体候选物Na2BaCo(PO4)2的巨磁热效应。

值得注意的是，在退磁冷却过程中观察到与自旋超固体相关的巨大磁热效应，表现为两个突出的谷状体系，最低温度达到100 mK以下。不仅有一系列实验确定的临界场，而且消磁冷却剖面也与用易轴海森堡模型进行的理论模拟非常吻合。中子衍射还通过揭示三晶格自旋固体有序共存和层间不可通约性表明自旋超流动性，成功地定位了所提出的自旋超固相。因此，该结果揭示了自旋超固相在受挫量子磁体中的强熵效应，并为亚开尔文制冷的应用开辟了一条可行且有前途的途径，特别是在持续关注氦短缺的背景下。

追求具有新量子秩序的物质的奇异状态构成了现代凝聚态物理学的一个主要主题。作为一种同时表现出超流体秩序的固态物质，超固体没有经典对应物。尽管在He中寻找超固体存在困难。对于核玻色子或相当于S = 1/2量子自旋的三角形晶格上超固体的出现已经有了明确的理论预测。后者构成了超固体的量子磁模拟，其中晶格平动和自旋对称性同时被打破。基于对称论证和量子晶格气体模型的类比，三维(3D)高自旋铬尖晶石化合物MnCr2S4也被推测为自旋超固体。然而，MnCr2S4的精确量子自旋模型和对其相图的全面理解仍然是一个难以捉摸的问题。因此，一个结论性的超固体原型系统还有待于在实验中发现。

高度受挫的三角晶格反铁磁体(TLAFs)是培育奇异量子自旋态的沃土。其中，自旋为1/2 Co基的等边TLAF Na2BaCo(PO4)2 (NBCP)具有独特的易轴各向异性，在两个相互冲突的方向上获得了广泛的研究兴趣：量子自旋液体和磁有序态28。最近，人们提出了一种近似理想的易轴TLAF模型描述NBCP，它将不同的实验观测结果统一在一个连贯的图像中。据预测，该系统在零磁场和有限磁场下都具有自旋超固体状态，这为寻找这种奇异的量子态提出了有趣的建议。

说明自旋超固体冷却，自旋玻色子映射和U(1)相涨落（图源自Nature ）

然而，在极低温度下探测自旋超固体面临着巨大的实验挑战。新相位背后的关键属性之一是熵景观。对于量子磁体，它可以通过测量磁热效应(MCE)来获得，磁热效应表示随着场的变化而发生的绝热温度变化。通常，MCE在有限T磁相变附近最为明显。在接近绝对零度的温度下，在强波动态和量子临界点附近的区域，MCE也可以大大增强。磁表征MCE特性的Grisen参数ΓB在QCP中表现出突变的符号变化和发散。因此，MCE测量可以用于灵敏地检测分离不同自旋态的QCPs，从而可以映射出相图。

在理论建议提出近20年后，作者通过相互证实的磁热和中子测量，在理论计算的进一步支持下，确定了三角形晶格磁铁NBCP中超固体的实验特征。与在TLAF系统中提出的量子自旋态的丰富多样性相呼应，由于实验的快速进展，越来越多的三角晶格化合物出现。它们具有相似的结构(方法)，也可能具有奇异态，如自旋超固体。NBCP的亚开尔文MCE响应比目前研究的其他磁性材料大得多。受挫量子磁体不仅为探索新的自旋态提供了一个多功能和强大的平台，而且与水合顺磁冷却剂相比，它们还具有几个吸引人的优点：量子临界和受挫效应增强了强自旋涨落，磁性离子密度更高，化学稳定性好。这些优点为它们在亚开尔文制冷、量子技术和空间应用方面的应用开辟了一条有前途的道路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06885-w

转自：“iNature”微信公众号

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