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2025-06-19 0
实现无液氦极低温固体制冷意义何在？专访中科院理论物理所副所长苏刚
百科大全
2025年02月21日 15:00 3
admin
近日，由中国科学院、中国工程院主办的“两院院士评选2024年中国十大科技进展新闻”揭晓，中国科学院理论物理所研究员苏刚领衔的“无液氦极低温制冷提供新方案”入选。
实现无液氦极低温固体制冷有什么重要意义？这一突破将在哪些应用领域带来变革？封面新闻记者近期专访中国科学院理论物理所研究员苏刚及其团队。
专访嘉宾：
苏刚，中国科学院理论物理研究所研究员、副所长。
为破解氦资源短缺提供解决方案
一个世纪前，人类首次将氦气液化，由此利用液氦的极低温制冷技术被广泛应用。
在深空探测、材料科学、量子计算等领域，极低温制冷技术都发挥了重要作用。
然而，用于极低温制冷的氦元素却面临供应短缺。如何在不使用氦元素的情况下实现极低温制冷，一直是科学家正着力破解的难题。
中国科学院理论物理研究所研究员苏刚、中国科学院物理研究所项俊森博士和孙培杰研究员共同领衔的研究团队通过多年研究，在钴基三角晶格磁性晶体中首次发现量子自旋超固态存在的实验证据。
研究团队利用该晶体材料，通过绝热去磁获得了零下273.056摄氏度的极低温，成功实现了无液氦情况下极低温制冷基础研究的重要突破，为破解我国氦资源短缺问题提供了解决方案。
科研人员调试极低温制冷平台。图据央视
国际学术期刊《自然》审稿人对该研究给予了高度评价。他们认为，这一成果报道了超低温下对一种复杂化合物的高质量实验，理论与实验的符合极好地支持了该工作的核心结论。
首次给出超固态存在的实验证据
苏刚向记者介绍，超固态是一种新奇量子物态，兼具固体和超流体的特征。超固态自上世纪七十年代作为理论猜测被提出后，除冷原子气模拟实验外，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。
“半个多世纪以来，在凝聚态体系中人们仍未找到超固态存在的确凿证据。”在该方向已投入十余年时间的苏刚告诉记者，寻找这种奇特量子物态早已成为超冷原子气模拟等多学科的研究目标。
研究团队在钴基三角晶格量子磁性材料中，通过理论和实验研究紧密结合，证实了阻挫量子磁体中超固态的存在。这是在实际固体中首次给出超固态存在的实验证据。
科研人员挑选高质量钴基三角晶格单晶样品。图据央视
苏刚向记者透露，来自中国科学院和高校等多个研究单位的理论、实验团队通力合作，通过基础研究的源头创新，才实现了基于新机理的无液氦极低温制冷新技术。“这项研究突破很好地体现了建制化科研的优势。”
在苏刚看来，当前我国乃至全球面临氦气资源供应短缺的情况下，绝热去磁制冷作为一种无需氦资源的冷却技术，在深空探测等应用中会变得越来越重要。
发现新物态与新效应
苏刚告诉封面新闻记者，目前极低温制冷主要包括两种技术。第一种氦制冷依赖氦这种稀缺元素的量子涨落强、相互作用弱带来的特殊低温特性。第二种磁制冷主要依赖水合顺磁盐工质的磁卡效应。
但苏刚及其研究团队同时指出，水合顺磁盐中磁性离子分布稀疏，同时也具有磁熵变密度小、稳定性差、热导低等固有缺点。
“我们发现，自旋超固态在极低温下的巨大磁卡效应。”苏刚进一步解释，在绝热条件下调控磁场，他们观察到自旋超固态量子相变点附近材料的温度急剧下降到达零下273.056摄氏度的最低制冷温度。
我国研究人员为无液氦极低温制冷提供新方案。图据中国科学院
尤为重要的是，这次研究突破的自旋超固态致冷基于多体效应，调控集体激发实现熵变，与基于顺磁性调控自由磁矩实现熵变，在制冷原理与机制上有着本质区别，能够有效地克服磁制冷的局限性。
在苏刚看来，这一新物态与新效应的发现，为我国在深空探测、量子科技等尖端领域研究的极低温制冷“卡脖子”难题提供了一种新的解决方案。
封面新闻记者 赵雨笙
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