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儀表網 研發快訊】極低溫制冷是獲取一個開爾文以下的低溫環境并提供一定冷量的先進技術，是眾多基礎和前沿科學探索的關鍵。在量子物理、凝聚態物理、高能物理等諸多領域中，人們在極低溫條件下揭示了新的物理現象和規律，包括超導、超流、量子霍爾效應，宇稱不守恒實驗等。同時，極低溫制冷也是量子科技，深空探測，物質科學，精密測量等重要領域的關鍵技術。絕熱去磁致冷，通過磁場調控順磁材料中近乎自由的磁矩，可獲得亞開爾文溫區的低溫。但作為工質的順磁材料主要是水合物鹽類，存在固有的局限性，如磁性離子密度低、熱導率不足、化學穩定性較差等。為克服這些限制并推進低溫固態制冷技術的發展，亟需從源頭開展理論創新。
有效調控新奇量子物態中的集體激發及其磁卡效應(magnetocaloric effect)，是極低溫固態制冷的有效新途徑。最近，中國科學院理論物理研究所李偉研究員與合作者對Kitaev六角晶格自旋液體模型開展理論研究，提出通過外場有效調控自旋液體態中的自旋子與規范場激發等，例如拓撲Z2渦旋激發(vison)。利用這些激發所攜帶的巨大低溫熵，可以實現一種全新的磁卡效應機制——自旋液體拓撲激發致冷。
采用自主發展的先進有限溫度張量重正化群方法，研究團隊計算了Kitaev六角晶格自旋液體模型的低溫性質。對于鐵磁Kitaev情況，通過自旋分數化產生了近乎自由的Z2渦旋。在一定溫區內，系統磁性可以用修正居里常數的順磁狀態方程來描述。因此，與順磁體系絕熱去磁類似，Z2渦旋的熵也可以通過磁場有效調控。從整齊排列的自旋極化相進入漲落的自旋液體相，由于Z2拓撲激發攜帶體系一半的磁熵，可以從環境中帶走大量的熱量，產生強烈的致冷效應(圖1)。
對于反鐵磁Kitaev情況，熱張量網絡計算結果支持中間磁場相為一無能隙的U(1) 量子自旋液體相，具有自旋子費米面和演生U(1)規范場，同樣展現出巨大低溫熵和顯著致冷效應。與傳統絕熱去磁致冷不同，在自旋液體拓撲致冷機制中，攜帶磁熵的不是孤立的自旋，而是自旋子與規范場激發等集體激發。
圖 1. Kitaev六角晶格磁體的拓撲激發致冷示意圖。在高溫順磁相中， ，其中 為居里常數；在中間溫度分數液體相中，研究團隊發現 ，其中 為修正居里常數。拓撲激發攜帶體系一半的磁熵，其激增將帶來顯著的致冷效應。
在實際Kitaev候選材料中，除了Kitaev相互作用，還存在海森堡耦合等非Kitaev項。因此，研究團隊進一步針對擴展Kitaev模型開展了多體計算，討論實際材料中拓撲激發致冷機制的穩定性。結果表明，由于自旋分數化和拓撲激發存在于一定的能量/溫度范圍，該致冷機制具有魯棒性。Kitaev阻挫磁性材料不僅在拓撲量子計算方面，而且在無液氦極低溫制冷領域也有重要研究價值。
阻挫量子磁性材料中的新奇物態，通常呈現出高度糾纏與強烈漲落的特性。這帶來了新穎的低溫熱物性，使得在遠低于相互作用能量尺度的低溫條件下，甚至直至零溫，體系并不形成磁有序狀態。研究團隊通過Kitaev自旋液體系統的磁場-溫度性質研究，指出豐富的低能集體激發攜帶著巨大的磁熵(圖2)。有效調控阻挫量子磁性材料中的集體激發，可以產生新型磁卡效應，為探索低溫固態制冷開辟了新的途徑。
圖2. 通過外場調控量子材料進入具有顯著自旋漲落的新奇物態，能夠引發包括拓撲激發等在內的大量集體激發，并從周圍環境中吸收熱量，從而產生新型磁卡效應(magnetocaloric effect)。
該工作最近發表于《自然·通訊》[Nature Commun. 15, 7011 (2024)]，中國科學院理論物理研究所李偉研究員與中國科學院大學蘇剛教授是論文的共同通訊作者，中國科學院大學卡弗里理論科學研究所博士后李涵是論文第一作者，其他合作者包括復旦大學戚揚教授，中國科學院理論物理研究所博士生呂恩澤、助理研究員西寧，以及北京航空航天大學物理學院博士生高源。該工作得到了國家自然科學基金委優青項目、人社部博士后創新人才支持計劃、中國科學院基礎研究領域穩定支持青年團隊“基于新原理的無液氦極低溫制冷”項目等資助。
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