揭开超固态神秘面纱！无液氦极低温制冷打破垄断

最近我国科学家发现了一种无需液氦的制冷物质，利用绝热去磁法达到了零下273.056℃极低温。

与几乎无上限的热量不同，绝对零度的极限温度数值是零下 273.15 度，不过这只是科学家利用仪器计算出的一个理论数字。在超导研究和应用中我们需要达到超低温（一般指-150℃~-273℃）的状态。而极低温则更低一些需要接近绝对零度（-273.15℃），一般用毫卡尔文（mK）为单位。

研究物质在极低温情况下的各种奇特物理性质是基础物理研究的一个重要方向。这与大科学装置、凝聚态物理、深空探测、材料科学、粒子物理、天文探测、量子计算等国家安全和战略高技术领域息息相关。

目前达到低温的手段主要有吸附制冷、绝热去磁制冷和稀释制冷。

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稀释制冷机和稀缺的氦

稀释制冷技术是目前最流行的制冷方法。氦-3和氦-4是氦的两种稳定同位素，当温度高于0.87K时，两种溶液能够以任意比例互溶。而当温度低于0.86K时，混合液会分离成两种相，其中含氦-3多的相称为浓缩相，而含氦-3少的相称为稀释相。当从稀释相中不断抽走氦-3时，为了保持平衡，浓缩相的氦-3会跑到稀释相中并吸热让整个系统温度降低，这可以维持1.8mK的极低温。在超导量子计算机中螺旋管道那部分就是维持低温的稀释制冷机。

氦稀释制冷机示意图。循环介质是氦-3（浅灰色），氦-4（深灰色）不循环

可惜氦气对我国来说是一种卡脖子资源。氦气在空气中含量极低，自然界中的氦气通常由铀矿等放射性元素衰变产生，并富集在伴生的天然气矿藏中。这种与铀矿伴生的天然气矿在中国非常稀少，我国氦气95%靠进口。

量子计算是当前世界各国科技竞争的主战场，稀释制冷机为量子计算机的正常运行提供必要的极低温环境，是量子计算研究中不可替代的关键设备。目前我国此类仪器完全依赖进口，且2023年初这类仪器已无法进口，是亟待攻破的核心技术。因此发展不用氦的极低温制冷技术是我国科研领域亟待攻克的关键核心技术之一。而研制国产无液氦稀释制冷机或研制绝热去磁制冷机都是可行的技术路线。
稀释制冷机为量子计算机提供极低温，最下层温度约10mK

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绝热去磁制冷技术

在极低的温度下（<1K），一切气体包括氦都已转化为液体或固体，仅依靠气体膨胀制冷难以达到更低的温度。20世纪初P.Langevin在顺磁材料中观察到了励磁放热与退磁吸热的磁热效应，随后P.Debye和W.F.Giauque开展了基于顺磁盐中磁无序到有序转变过程获取低温研究，并利用Gd2(SO4)3.8H2O顺磁盐获得了250 mK最低温度，并获得1949年诺贝尔化学奖。

熵是系统无序度的量度，无序度愈大熵就愈高，温度降低和磁化都会使系统的熵降低。顺磁性物质在磁场中能够产生与原磁场相同方向的附加磁场，这叫励磁过程。而退磁过程中顺磁性盐中自旋系统的熵需要增加，但整个系统由于绝热总熵不变，熵只能从晶格系统流入自旋系统。由于晶格系统的熵通常非常小，因此需要大幅降温才能让自旋系统维持熵基本不变。这就是磁卡效应（magnetocaloriceffect）。

磁制冷是基于磁性材料在励磁状态时释放热量、退磁状态时吸收热量的磁热效应发展而来的固态制冷技术，其本质是磁性材料内部磁矩有序度的变化。拥有该效应的材料被称为磁热材料，又称为磁制冷材料。

磁制冷是一种固态制冷技术，具有作用温区广泛、本征制冷效率高、材料资源广泛的优点，是低温与制冷领域中最具潜力制冷技术之一。近年来，大量不同温区磁热材料被发现与合成，磁制冷逐步发展成可覆盖全温区的制冷与低温技术。尤其在极低温领域，极低温磁制冷（又称为绝热去磁制冷）不受重力影响、不依赖稀缺工质氦-3等突出优点，逐步成为空间探测、量子计算等前沿科学的热点低温技术。

磁制冷材料制冷原理

名称

技术特点

典型研究机构

极低温磁制冷（≤1 K）

利用顺磁盐水合物等磁性材料，构建磁制冷卡诺循环，利用磁热模块中热总线等结构强化传热，获取冷量

中科院理化所、北京理工大学、清华大学、中科院赣江院、美国航天局、欧洲航天局等

低温磁制冷（4~20 K）

利用RFeSi（R为稀土）基为代表的磁性材料，构建主动磁制冷或者复合制冷循环，传热介质通常为氦气等

中科院理化所、北京理工大学、中科院物理所、中科院赣江院、日本国立材料研究所、美国太平洋西北实验室等

室温磁制冷

利用Gd基、laFeSi基等磁性材料，构建主动磁制冷循环，传热介质通常为水等介质

中科院理化所、包头稀土研究院、中科院物理所、丹麦技术大学、加拿大维多利亚大学等

不同温区磁制冷技术特点及典型研究机构

磁制冷系统

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新型超固态物质用于制冷

超固态是一种在接近绝对零度时出现的新奇量子物态，这时物质中的原子一方面呈现规则的排列，同时还可以在其间“无粘滞”地流动，兼具固体和超流体这两种看似矛盾的特征。超固态自20世纪70年代作为理论猜测提出以来，各国科学家尚未在固态物质中找到超固态存在的可靠实验证据。

最近，中国科学院苏刚团队和北京航空航天大学的联合研究团队通过多年研究，在一种钴基阻挫三角晶格材料——磷酸钠钡钴盐（Na2BaCo(PO4)2）的量子磁性材料中，首次发现了名为“自旋超固态”的新奇物质状态，得到了其存在的实验证据。随后科研人员观察到这种磁性材料在退磁冷却过程中，出现了与自旋超固体相关的巨大磁热效应，这项发现让这种新材料有了作为高效磁制冷材料优秀潜质。

钴基阻挫三角晶格新材料

在随后的研究中，科研人员克服了极低温下漏热与温度测量等诸多技术难题，研发了新型低温测量器件，利用该材料通过准绝热去磁过程获得了94mK，也就是零下273.056摄氏度的极低温，实现了无液氦极低温制冷，并为这种新发现的效应命名为“自旋超固态巨磁卡效应”。

由于自旋超固态材料拥有巨大的磁卡效应，利用这种效应研发新型磁制冷机，将为深空探测或量子计算提供极低温环境和足够的冷量。也可以解决我国缺氦缺高端稀释制冷机的问题。

新型低温测量器件，粉红色晶体就是目标材料

编辑｜张毅

审核｜吴新

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