量子磁體中如果存在自旋阻挫效應(yīng)，體系中的自旋交換相互作用將會相互競爭，導(dǎo)致經(jīng)典基態(tài)無法滿足能量最低的要求。因此，在阻挫量子磁性體系中探索新型量子物態(tài)是凝聚態(tài)物理的一個重要研究方向。此外，利用新型量子物態(tài)的豐富低能激發(fā)和相應(yīng)的量子臨界物態(tài)調(diào)控，有可能獲得高效的固態(tài)制冷效應(yīng)，相關(guān)研究正在逐步發(fā)展成為一個新興的研究方向，研究成果有望為低溫固態(tài)制冷提供新的思路和解決方案，緩解低溫研究領(lǐng)域面臨的氦氣短缺問題。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心孫培杰研究組長期致力于新型量子物態(tài)的低溫?zé)嵝?yīng)研究。最近，該研究組項俊森博士和孫培杰研究員，與中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授、中國科學(xué)院理論物理研究所李偉研究員、北京航空航天大學(xué)金文濤副教授組成聯(lián)合研究團隊，通過極低溫下的熱力學(xué)測量、中子衍射實驗，結(jié)合量子多體理論計算，在鈷基三角晶格材料Na2BaCo(PO4)2中發(fā)現(xiàn)了一種新型量子物態(tài)，即自旋超固態(tài)（兼具自旋固態(tài)序和自旋超流序）的關(guān)鍵實驗證據(jù)，并在自旋超固態(tài)相內(nèi)觀測到了該材料超越傳統(tǒng)順磁鹽的巨大磁卡效應(yīng)。
固態(tài)物質(zhì)能否同時成為超流體？這是1970年由后來獲得諾貝爾物理獎的英國科學(xué)家A. Leggett提出的著名科學(xué)問題。2004年美國科研團隊報道了觀察到單質(zhì)氦的超固態(tài)，但隨后被證實缺乏確定性的證據(jù)。目前，除了基于冷原子氣體的模擬實驗外，人們尚未在固態(tài)物質(zhì)中找到超固態(tài)存在的可靠實驗證據(jù)。近年來，阻挫量子磁性理論與實驗研究的蓬勃發(fā)展為尋找基于自旋系統(tǒng)的超固態(tài)提供了新機遇。
磷酸鈉鋇鈷鹽Na2BaCo(PO4)2?是新近合成的鈷基三角晶格量子反鐵磁體，前期研究觀察到該材料中存在很強的低能自旋漲落，但其基態(tài)性質(zhì)仍不清楚。基于量子多體理論計算，團隊成員蘇剛教授，李偉研究員等人推測有可能存在自旋超固態(tài)，并表現(xiàn)出異常的低溫?zé)嵛镄浴Ｔ卺槍υ摬牧系臉O低溫?zé)釡y量中，研究團隊克服了漏熱控制、磁場中的精密溫控等技術(shù)難題，自主研制了高精度絕熱溫變測量器件，觀測到了絕熱退磁過程中的兩個極低溫平臺，暗示該材料在低溫有序態(tài)內(nèi)仍舊存在強烈的低能漲落。在此基礎(chǔ)上，金文濤副教授團隊所獲得的極低溫中子衍射數(shù)據(jù)表明該體系的自旋面外分量破壞了晶格平移對稱，形成了三子格對角長程序，即固態(tài)序，而面內(nèi)自旋分量可能破壞了連續(xù)對稱性，存在無質(zhì)量的戈德斯通模，具有二維超流態(tài)的特征。基于上述實驗結(jié)果所構(gòu)建的磁場-溫度相圖和團隊成員的理論計算結(jié)果高度一致，提供了該材料中存在自旋超固態(tài)的重要證據(jù)。
在以上研究成果的基礎(chǔ)上，研究團隊制作了原型制冷器件。基于商用的綜合物性測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了從2K到100mK以下的磁制冷，并且可以利用該器件開展電阻率測量等實際科學(xué)研究。沿著該思路，研究團隊正在針對更多阻挫量子材料開展低溫?zé)嵛镄匝芯浚壳?strong>已經(jīng)發(fā)現(xiàn)若干同類材料可以獲得同等或者更低的制冷溫度，表明阻挫量子磁性材料有望成為一類重要的極低溫制冷工質(zhì)。
圖1：（a）二維三角晶格上的自旋超固態(tài)的形成示意圖。該量子物態(tài)同時具有破壞晶格平移對稱的自旋固態(tài)序和破壞面內(nèi)連續(xù)對稱性的超流序。（b）二維超流的U(1)相位漲落。（c）自旋超固態(tài)和傳統(tǒng)順磁鹽的絕熱退磁制冷效應(yīng)對比。由于自旋固態(tài)序的量子臨界漲落和超流序的強烈量子自旋漲落，我們期待自旋超固態(tài)相在臨界磁場下可以維持很低的制冷溫度。（d）對Na2BaCo(PO4)2的實際測量表明，該材料存在兩個低溫制冷平臺，分別對應(yīng)于兩個自旋超固態(tài)相，實際測量的制冷曲線和理論計算結(jié)果高度一致。
該項研究成果于2024年1月10日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Nature，標(biāo)題為“Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2”。蘇剛教授、孫培杰研究員、李偉研究員、金文濤副教授是該論文的共同通訊作者；物理所項俊森博士、北航博士生張傳迪、北航-理論物理所彭桓武中心博士生高源是該項工作的共同第一作者。文章合作者還包括物理所萬源研究員、李崗副研究員，復(fù)旦大學(xué)戚揚教授，理化所沈俊研究員等人。該項研究得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、科技部以及懷柔綜合極端條件實驗裝置的支持。
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