在中科院物理所的低溫實(shí)驗(yàn)室里，一塊指甲蓋大小的晶體正在創(chuàng)造奇跡。當(dāng)科研人員將其置于磁場(chǎng)中并緩慢移除能量時(shí)，溫度計(jì)的讀數(shù)悄然滑向-273.056℃——這個(gè)僅比絕對(duì)零度高0.094℃的極寒?dāng)?shù)字，標(biāo)志著人類首次在固體材料中實(shí)現(xiàn)了無液氦極低溫制冷。而這一切的關(guān)鍵，源于一種名為"自旋超固態(tài)"的新奇量子物態(tài)。

這種同時(shí)具備固體與超流體特性的量子奇境，自上世紀(jì)70年代被理論預(yù)言以來，始終是科學(xué)家追尋的圣杯。傳統(tǒng)認(rèn)知中，固體原子如士兵般整齊排列，而超流體則能無摩擦流動(dòng)，二者看似矛盾。1962年，楊振寧提出用"非對(duì)角長(zhǎng)程序"來描述超流體的宏觀量子特性，為探索這種奇特物態(tài)提供了理論框架。然而半個(gè)世紀(jì)過去，除了冷原子氣的模擬實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家始終未能在真實(shí)固體中找到確鑿證據(jù)。

中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛團(tuán)隊(duì)與物理所孫培杰團(tuán)隊(duì)的合作，為這一科學(xué)謎題帶來了突破性進(jìn)展。他們將目光投向一種鈷基三角晶格材料Na?BaCo(PO?)?，這種具有強(qiáng)阻挫效應(yīng)的量子磁體，為自旋超固態(tài)的誕生提供了理想舞臺(tái)。通過自主研發(fā)的量子多體計(jì)算方法，研究人員預(yù)言該材料中存在自旋面外的"固態(tài)序"與面內(nèi)的"超流序"共存現(xiàn)象。而極低溫中子衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如同精密的分子相機(jī)，捕捉到了三子格磁序的清晰圖像，為理論預(yù)測(cè)提供了微觀證據(jù)。

更令人振奮的是，這種量子奇境帶來了革命性的制冷效應(yīng)。在絕熱條件下調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，材料溫度隨自旋超固態(tài)的量子相變急劇下降。其磁熵變峰值達(dá)到商用制冷材料的四倍，最低溫度突破百毫開爾文大關(guān)。這種基于集體激發(fā)的制冷機(jī)制，與傳統(tǒng)順磁鹽依賴自由磁矩的方式截然不同，成功破解了液氦資源短缺的"卡脖子"難題。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志的成果，不僅改寫了凝聚態(tài)物理的教科書，更在航天、量子計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。在深空探測(cè)中，無液氦制冷技術(shù)可大幅減輕探測(cè)器重量；在量子計(jì)算機(jī)中，接近絕對(duì)零度的環(huán)境能有效抑制量子退相干。目前，研究團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出新型低溫測(cè)量器件，實(shí)現(xiàn)了25mK的電導(dǎo)測(cè)量，為后續(xù)技術(shù)轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)我們凝視這塊在極寒中閃爍的晶體，看到的不僅是科學(xué)的奇跡，更是人類對(duì)物質(zhì)極限的探索精神。從液氦時(shí)代到量子物態(tài)制冷，每一次突破都在拓展人類認(rèn)知的邊界。未來，或許太空中的探測(cè)器將不再依賴稀缺的氦氣，量子計(jì)算機(jī)的芯片將在自旋超固態(tài)的護(hù)航下穩(wěn)定運(yùn)行——這些從實(shí)驗(yàn)室誕生的量子密碼，終將為人類文明的進(jìn)步解鎖新的維度。

來源: 桂粵科普