日前,穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場中心、理論物理研究所與上海交通大學(xué)等組成的聯(lián)合科研團隊在阻挫磁性與極低溫制冷領(lǐng)域取得重大突破。聯(lián)合團隊在三維磁性合金中,首次揭示了金屬自旋超固態(tài)的存在,并建立其電子媒介間接交換與磁偶極作用協(xié)同驅(qū)動新機制。該阻挫磁性合金在極低溫下同時展現(xiàn)巨大磁卡效應(yīng)和超高熱導(dǎo)率,打破了極低溫磁制冷材料領(lǐng)域長期存在的性能瓶頸。這項研究不僅提供了一種無需依賴稀缺資源氦-3的全新金屬制冷方案,還有望為我國量子計算、精密測量等前沿科技提供自主可控的“超級冰箱”。相關(guān)成果于2026年2月11日發(fā)表在《自然》(Nature)上[1]。
引言:量子材料固態(tài)制冷
極低溫環(huán)境是量子計算、精密測量及大科學(xué)裝置前沿研究必不可少的工作環(huán)境與關(guān)鍵支撐。當(dāng)前,稀釋制冷是目前提供極低溫、大冷量制冷的主要技術(shù)。然而,氦-3屬全球稀缺資源,且我國現(xiàn)階段完全依賴進口,成為制約量子科技等相關(guān)前沿領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素之一。因此,迫切需要發(fā)展不依賴氦-3的新型極低溫固態(tài)制冷技術(shù)。
以絕熱去磁制冷為代表的無氦-3固態(tài)制冷技術(shù),其核心制冷材料普遍存在導(dǎo)熱性能低、導(dǎo)致制冷功率不足。傳統(tǒng)磁制冷材料就像一個內(nèi)里冰涼卻無法快速導(dǎo)熱的“木塊”,需要結(jié)合金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)來使用,增加了制冷模塊的復(fù)雜度、降低了制冷量,導(dǎo)致制冷功率不足。而理想磁制冷材料在具備大冷量的同時,最好其自身就能像“金屬塊”一樣迅速將冷量傳遞出去,這正是亟待突破的難點所在。

圖1. 金屬自旋超固態(tài)及其磁制冷示意圖
近日,聯(lián)合團隊在無氦-3極低溫量子材料固態(tài)制冷方面取得了原創(chuàng)性的突破,國際首次在磁性合金ECA中發(fā)現(xiàn)了金屬自旋超固態(tài)及其巨磁卡效應(yīng)(見圖1)。金屬自旋超固態(tài)融合了極低溫下的巨大磁卡效應(yīng)與金屬的高熱導(dǎo)率優(yōu)勢:基于該材料的絕熱去磁制冷可實現(xiàn)100毫開爾文溫區(qū)的極低溫;同時,ECA合金在極低溫下展現(xiàn)出非常優(yōu)越的導(dǎo)熱性能,在極低溫區(qū)其熱導(dǎo)率比傳統(tǒng)磁制冷材料高出1至2個量級,在實際應(yīng)用中可以大幅提升制冷功率。
從新奇量子物態(tài)到極限制冷新途徑
2024年,中國科學(xué)家蘇剛、李偉等在一類具有三角晶格結(jié)構(gòu)的阻挫磁性材料中,首次發(fā)現(xiàn)“自旋超固態(tài)”這一新奇量子物態(tài),實現(xiàn)了基礎(chǔ)物理與極限制冷機理研究的重大突破[2]。作為超固態(tài)[3-5]在量子磁性體系中的對應(yīng),自旋超固態(tài)可被理解為材料中電子自旋所呈現(xiàn)的一種特殊量子有序態(tài):其自旋排列既破缺晶格平移對稱性(類似固體晶格),又破壞自旋U(1)旋轉(zhuǎn)對稱性(類似超流體),具有強烈的量子漲落與無耗散超流動性。自旋超固態(tài)在極低溫度下表現(xiàn)出獨特的熱力學(xué)性質(zhì)和磁場調(diào)控特性,并產(chǎn)生巨大的磁卡效應(yīng),展現(xiàn)出優(yōu)異的制冷能力。與傳統(tǒng)順磁鹽材料依賴稀疏分布的弱相互作用磁性離子不同[6],自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)源于強烈的極低溫自旋漲落,表現(xiàn)為高磁熵密度和低制冷溫度。目前,國內(nèi)外多個研究組已在不同的磁性絕緣材料中發(fā)現(xiàn)了自旋超固態(tài),表明該宏觀量子態(tài)是一種普適現(xiàn)象。
金屬自旋超固態(tài)及其巨磁卡效應(yīng)
當(dāng)前磁制冷材料的關(guān)鍵瓶頸,不僅是追求更高制冷能力與更低溫度,還在于如何高效導(dǎo)出冷量。理想的下一代固態(tài)制冷材料須兼具巨大磁熵變與高熱導(dǎo)率,實現(xiàn)制冷與傳熱的雙重突破。

圖2. a,ECA的晶格結(jié)構(gòu)和相互作用,其中JR表示局域磁矩通過傳導(dǎo)電子誘導(dǎo)的RKKY相互作用,提供面內(nèi)自旋阻挫,JD是層間偶極相互作用,提供磁各向異性;b,局域磁矩形成自旋超固態(tài),提供巨大熵變與制冷能力,傳導(dǎo)電子提供熱量的“高速通道”
沿著這一思路,聯(lián)合團隊設(shè)計制備出阻挫磁性合金ECA,并成功生長出厘米級單晶樣品。如圖2a所示,材料由三角晶格堆疊而成,存在面內(nèi)自旋阻挫現(xiàn)象,而層間偶極相互作用提供磁各向異性。通過系統(tǒng)的熱力學(xué)、磁化行為和輸運性質(zhì)等高精度測量,與理論模型計算對照,揭示了一種新穎的磁性物態(tài)——金屬自旋超固態(tài)。利用穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置,團隊發(fā)現(xiàn)了材料極低溫下的1/3磁化平臺和自旋超固態(tài)的對稱性證據(jù)。為提供自旋超固態(tài)的直接微觀證據(jù),聯(lián)合團隊開展中子衍射實驗。在克服樣品中子吸收等挑戰(zhàn)性問題后,得到了高質(zhì)量的中子衍射數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)材料在極低溫下具有自旋超固序的直接證據(jù)(見圖2b)。
針對此前自旋超固態(tài)理論模型主要囿于自旋-1/2海森堡模型、僅適用于絕緣量子磁性體系的局限,聯(lián)合團隊原創(chuàng)提出電子媒介Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)間接交換與磁偶極作用協(xié)同驅(qū)動的新機制,建立了RKKY-磁偶極理論模型,通過大尺度多體計算成功解釋并指導(dǎo)實驗。這一概念創(chuàng)新將自旋超固態(tài)的探索從傳統(tǒng)絕緣體系拓展至高電導(dǎo)金屬,從二維低自旋拓展至三維高自旋,構(gòu)建了由電子媒介間接交換與磁偶極作用協(xié)同驅(qū)動的金屬自旋超固態(tài)新機制。

圖3. a,ECA材料的絕熱去磁制冷測量,在自旋超固態(tài)量子相變點附近實現(xiàn)106 mK最低制冷溫度;b,ECA材料的熱導(dǎo)具有巨大優(yōu)勢,相比于此前報道的磁制冷材料,其熱導(dǎo)率提升了1–2個數(shù)量級
聯(lián)合團隊進一步開展磁卡效應(yīng)測量:基于該材料的絕熱去磁制冷,最低溫度可達106?mK,刷新了金屬磁卡材料的低溫紀(jì)錄,表明其具備極強的本征磁卡制冷能力(圖3a);更難得的是,在100 mK極低溫區(qū)內(nèi)材料熱導(dǎo)率高達約100 mW/(K·m),較此前報道的磁卡材料高出1–2個數(shù)量級,從而成功破解了長期存在熱導(dǎo)關(guān)鍵瓶頸(圖3b)。由于ECA獨特的“局域磁矩-傳導(dǎo)電子”復(fù)合結(jié)構(gòu),其同時具備“高性能制冷”與“高效熱傳輸”的雙重優(yōu)勢:局域磁矩形成自旋超固態(tài)相,提供巨大磁熵變;而金屬中的近自由電子則構(gòu)成了高效的導(dǎo)熱通道。
展望:金屬固態(tài)制冷與極低溫量子技術(shù)
該材料兼具優(yōu)異性能與批量制備潛力,聯(lián)合團隊近日基于該合金材料,已成功研制出純金屬制冷模塊,并積極推進其相關(guān)應(yīng)用研究。這一突破標(biāo)志著自旋超固態(tài)體系正式從基礎(chǔ)研究邁向器件探索新階段,同時也開辟了金屬制冷的新體系與新方向。以金屬自旋超固態(tài)材料為核心的新型高效制冷模塊,有望為量子芯片、量子計量器件提供穩(wěn)定便攜的冷源,為高靈敏度單光子探測器提供輕量化極低溫環(huán)境,并為空間探測重大科學(xué)工程提供自主可控的極低溫解決方案。該成果為破解量子科技等領(lǐng)域?qū)?3的依賴及固態(tài)制冷功率不足等瓶頸,提供了一項極具潛力的“中國方案”。
在中國科學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)研究局的戰(zhàn)略組織與推動下,來自中國科學(xué)院和高校等多個研究單位的理論和實驗團隊通力合作,集智攻關(guān),依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(合肥)、綜合極端條件實驗裝置(懷柔)、上海光源以及英國散裂中子源、日本物質(zhì)·生命科學(xué)實驗設(shè)施等國內(nèi)外大科學(xué)裝置,通過基礎(chǔ)研究源頭創(chuàng)新驅(qū)動極低溫制冷的顛覆性新技術(shù)發(fā)展。研究成果于2026年2月11日以“Giant magnetocaloric effect and spin supersolid in a metallic dipolar magnet”為標(biāo)題發(fā)表在國際期刊Nature [1],并已獲中國發(fā)明專利授權(quán)[7]。Nature審稿人高度評價本工作中發(fā)現(xiàn)的金屬自旋超固態(tài)材料“同時具備適用于100毫開爾文溫區(qū)的絕熱去磁制冷能力與優(yōu)異的電導(dǎo)(及熱導(dǎo))性能,這一特性組合是獨一無二的”;“除了實際應(yīng)用潛力,該材料還被提出可作為自旋超固態(tài)的候選體系,為基礎(chǔ)物理研究與技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域均帶來了引人注目的啟示。”
中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場中心屈哲研究員、許錫童研究員為論文共同通訊作者。其他共同通訊作者還包括中國科學(xué)院理論物理研究所的李偉研究員、上海交通大學(xué)馬杰教授;共同第一作者包括合肥物質(zhì)院強磁場中心/上海交大/中國計量大學(xué)舒明方,合肥物質(zhì)院強磁場中心許錫童、何苗,理論所西寧,物理所項俊森。論文合作者還包括理論所蘇剛研究員、合肥物質(zhì)院強磁場中心杜海峰研究員、北京大學(xué)賈爽教授、物理所錢天研究員、蘭州大學(xué)陳曦教授、浙江大學(xué)汪臻濤研究員、安徽大學(xué)宋東升教授、孫學(xué)峰教授、上海交大鐘瑞丹副教授等。工作得到了“無液氦極低溫量子材料固態(tài)制冷與關(guān)鍵技術(shù)”中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項、國家重點研發(fā)計劃大科學(xué)裝置重點專項及物態(tài)調(diào)控專項、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊、依托重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的建制化平臺項目、國家自然科學(xué)基金、安徽省重大科技專項、安徽省基金等項目的支持。
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-026-10144-z

參考文獻:
1. Shu, M. et al., Nature (2026)
2. Xiang, J. et al., Nature 625, 270–275 (2024).
3. Leggett, A. J. Phys. Rev. Lett. 25, 1543 (1970).
4. Kim, E. & Chan, M. H. W. Nature 427, 225–227 (2004).
5. Yang, C. N. Rev. Mod. Phys. 34, 694 (1962).
6. Giauque, W. F. & MacDougall, D. P. Phys. Rev. 43, 768–768 (1933).
7. Xu, X.T. He, M. Qu, Z. ZL 2025 1 0617149.2