中國科學院大學、北航合作最新Nature：自旋超固態候選材料Na2BaCo(PO4)2中的巨磁熱效應

中國科學院大學、北航合作最新Nature：自旋超固態候選材料Na₂BaCo(PO₄)₂中的巨磁熱效應

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【導讀】

超固態是一種奇特的物質量子態，由形成不可壓縮固體結構的粒子組成，同時表現出零粘度的超流性，是基礎研究中長期存在的追求之一。雖然最初⁴He超固態的報道被證明是一個人工制品，但是這個有趣的量子物質激發了人們對超冷量子氣體的研究熱情。盡管如此，在凝聚態物質中實現超固態仍然難以捉摸。

【成果掠影】

今日，中國科學院大學蘇剛、孫培杰、李煒和北京航空航天大學金文濤課題組合作，在最近合成的三角晶格反鐵磁體Na₂BaCo(PO₄)₂中找到了超固態-自旋超固態的量子磁學類似物的證據。值得注意的是，在退磁冷卻過程中觀察到了與自旋超固相關的巨磁熱效應，表現為兩個顯著的類谷區，最低溫度達到了100?mK以下。本工作不僅在實驗上確定了一系列的臨界場，而且退磁冷卻曲線也與采用海森堡模型的理論模擬吻合得很好。中子衍射還成功地定位了所提出的自旋超固態相，揭示了晶格自旋固體有序和層間不可公度的共存，表明了自旋超流性。因此，本工作的結果揭示了受挫量子磁體中自旋超固相的強熵效應，并為極低溫制冷開辟了一條可行的和有前途的應用途徑，特別是在對氦短缺的持續擔憂的背景下。相關論文以題為“Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na₂BaCo(PO₄)₂”的論文發表在Nature上。

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【數據概況】

圖1. 自旋超固態冷卻、自旋-玻色子映射和U(1)相位漲落示意圖? 2024 Springer Nature Limited

圖2. NBCP的準絕熱退磁冷卻和低溫熱容? 2024 Springer Nature Limited

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圖3. 低溫磁熱效應、場致量子相變和場-溫相圖? 2024 Springer Nature Limited

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圖4. 低溫中子衍射? 2024 Springer Nature Limited

【成果啟示】

在理論提出后的近二十年里，本工作通過相互印證的磁熱和中子測量，確定了三角晶格磁體NBCP中超固態的實驗特征，并得到了理論計算的進一步支持。與TLAF體系中提出的豐富多樣的量子自旋態相呼應，由于實驗的快速發展，越來越多的三角晶格化合物涌現出來。它們具有相似的結構，也可能存在自旋超固態等奇特態。

在NBCP中的極低溫MCE響應遠大于迄今為止研究的其他磁性材料。阻挫量子磁體不僅為探索新的自旋態提供了一個通用而強大的平臺，而且與水合物順磁冷卻劑相比，它們還具有幾個引人注目的優點，例如由量子臨界和阻挫效應增強的強自旋漲落、較高的磁性離子密度和良好的化學穩定性。這些優點為它們在量子技術和空間應用中的極低溫制冷開辟了一條有前途的途徑。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06885-w

本文由溫華供稿。