无液氦极低温制冷新方案！如何利用自旋超固态

我国研究人员为无液氦极低温制冷提供新方案，被两院院士评选为2024年中国十大科技进展新闻。科普中国采访到了中国科学院理论物理所与北京航空航天大学联合团队中的苏刚研究员，以下为采访实录：

1. 您能为大家介绍一下现在比较前沿的低温制冷技术是什么样的吗？

我很高兴给你介绍，因为我们现在的极低温的制冷，就普通的制冷，比如说我们家里边电冰箱里面是用制冷剂，比如说我们很多用的是氟利昂等等，这个制冷温度就零下只有几度、十几度。那么在实验室的制冷可能会到零下，比如说很多生命科学研究会到零下七八十度的，这样的就是比较低的温度了。

但是，在很多的前沿科技里面，我们要探测到很多新奇的一些现象，我们需要极低温，所以低温和极低温是完全不一样的。那么我们通常所说的极低温是在 100mK 以下的，我们通常称为是极低温，所以 100mK 差不多是在 -273.05℃左右的，所以我们希望能够达到，当然 100mK 以下我们叫极低温，但实际上很多的人说极低温还可以再往上（一点），亚开温区也叫极低温，所以亚开温区也就是说，就是说 1K（以下）也就是 -272℃（以下），通常很多人叫做极低温，所以我想极低温的定义，它不是十分地精确的，但是通常情况下就在 -272℃，这个也是非常之低的。

那么在这种低的温度下，我们要达到它有几个方面，一个方面现在常规用的，比如说我们液氦，液氦呢，氦同位素分了两种，一个是氦-4，一个是氦-3。那么氦-4 低温的温度，最低通过蒸发制冷可以到 2 点几开尔文（甚至更低），2.18 开尔文的这样的一个量级，那么通常情况是在 4K 左右。那么氦-3 是另外一个同位素，那么氦-3 可以达到 100mK 的这样的量级，或者几十毫开的，这都可以达到，所以这个还是非常之低的。

那么我们现在用的极低温的是稀释制冷机，稀释制冷机实际上用的是氦-3、氦-4 混合的，利用重力，它反正是用氦-3、氦-4 混合了以后，通过蒸发、通过相分离以后，它可以产生极低温，这个极低温可以到 30mK 左右，这个极低温就是我们现在常规用的，比如量子科技，还有很多的低温就到了非常低的温度下，我们会看到很多新奇的现象，自然界的现象是非常普遍的，这是一个路线，叫稀释制冷的路线。

还有一个路线是绝热去磁制冷的，那么这个绝热去磁制冷是通过顺磁盐，顺磁体的顺磁盐，那么这个的制冷温度，通过把顺磁盐在磁场里边磁化以后，通过把磁场慢慢退掉以后，这个会把温度整个带着降下去，因为它慢慢的熵比较大，所以会把温度会降下去，那么这个温度可以降到比较低的温度，比如说 50mK，还有比如说二三十毫开也可以。

但是顺磁盐制冷有一个比较不利的（因素），一个是它的离子密度比较低，所以它有序温度比较高，所以它温度降不下去，那么有的是顺磁盐有腐蚀性，不稳定，它一般都是水合物，所以不稳定。那么我们这一次发现是在固体的这样的磁性材料里面，那么在固体的磁性材料里边，实际上我们发现了一种新的量子物态，这个量子物态是 2005 年的 Science《科学》，当时给全世界提出了 125 个（重大）科学问题，那么这是第 46 个科学问题，所以这是之一。我们这次成果对于这样的一个问题，我们取得了比较重要的进展，也就是说我们第一次在固体物质里面，观测到了一种新奇的物态，这个物态叫超固态，我们在磁性材料里面观测到的，我们把它叫做自旋超固态，也就是说这样的一个固体材料里面，它既有固体的特征，同时还有超流动性的这样的特征，所以这个是一个很重要的。

那么这个现象实际上，最初提出来是上世纪 70 年代，60 年代末、70 年代初有一系列的科学家，那么更追溯的早一点的时候，是在 1952 年、1953 年的时候，就已经有科学家提出了这样的思想，所以这是一个长期的问题，但实验上一直没有确切的实验证据。那么我们在这样的一个材料里面，在磁性系统里面发现了，自旋超固态的这样的一个新奇物态，那么我们发现当然还有一个量子临界点，就是我们发现它的量子临界点的时候，它的磁熵变非常之大，那么磁熵变大就可以用于制冷，所以我们把它用绝热退磁致冷的（方法），我们做了以后发现我们可以达到，就是刚才说的 -273.056℃这样的极低温，这个已经快到极限了，我们当然现在还在继续推进，比这个温度还要低，我们报道的是当时因为还有一些制作装置，极低温温变绝热测量装置的时候，可能还有一些漏热，控制得不是非常非常理想，我们现在逐步改进技术以后，现在已经做得比较低了，我们原来 94mK，现在已经到了能够在 10mK 左右，十点几个，我想这个继续往下再推进。

2. 在极低温环境下的研究，都带来了哪些重大发现？

对，你说这个问题也非常好，在很多重大的科学发现里面，都离不了极低温，比如说超导体的发现，超导电性的发现，那么当时是因为在氢液化以后，氦液化以后，最后在极低温的环境下发现了超导电性，这是 1911 年的时候，所以这是得了诺贝尔奖的。那么后来在物理学里面，还有比如说超流的发现，比如，氦-4 超流、氦-3 超流的发现，这都是在极低温下得到的，那么这都得了诺贝尔奖的，得了好几项诺贝尔奖。那么还有比如说霍尔效应，量子霍尔效应，包括整数的量子霍尔效应，那个是在 30mK 左右得的，发现的整数量子霍尔效应，还有分数量子霍尔效应，还有我们反常量子霍尔效应，这些都是在几十个毫开（到几开）的温区发现的，当然都得了很多的诺奖的。

还有一个比如说公众可能关心的，比如说杨振宁、李政道发现的，弱相互作用里边的宇称不守恒的实验，是由吴健雄先生做的实验，那么这个实验当时在 1957 年的时候，是在 10mK 的极低温下做出来的，所以你看看这些重大的科学发现都是，当然低温也很重要，比如我们现在的冷冻电镜这些都是低温的，当然它达不到极低温的。

3. 磁制冷的原理是什么？

实际上温度的变化，实际上是从物理学角度来说，它是属于熵变，熵是个什么概念呢，熵是一个统计的概念，那么这个概念是表示系统的混乱程度，现在整个的熵增原理，你们大家可能都听说过，熵增原理，熵增原理实际上就是说，我这个系统最后是要达到熵最大的，最后才能到平衡，所以是属于熵增的。

那么熵如果是对于一个有序的态的时候，熵它就会变小，慢慢地就会减小，那么我们的材料，我们发现它非常之神奇，这个神奇在什么地方呢，我们刚才说的这样的一个，自旋超固态的这样一个现象，它在极低温下，它的自旋存在着极强的涨落，那么量子涨落是很重要，量子涨落是说这些由于相互作用的存在以后，自旋之间的相互作用存在以后，它有阻挫的效应在里面，这个阻挫就是有很多困惑的这种意思，就是由于相互作用的存在，使得自旋涨落，在低温下涨落很明显，而这种涨落就会导致我刚才说熵增大，而熵会发生在临界点附近的时候，它的变化幅度要比传统的要大得多，比如传统的顺磁盐里面，我们发现高了 4 倍，所以这样的一个极大的熵变，当我们在磁场里边把它磁化了以后，我们慢慢地去磁，那么这个混乱程度慢慢会增加的，我们到了极低温的时候发现它涨落还存在，所以这样的熵变就比较大，而熵变比较大的情况下，这时候我们在退磁的时候它要维持这个熵，所以它能量最后就会传出去，使得温度就会降低，所以这是不同磁场下的熵变的大小，导致的这样的一个非常强的现象，所以可以归根结底一句话就是，有量子增强的这样一个，极低温的制冷的现象，所以核心还是磁熵变要大。

4. 一个比较理想的磁性制冷材料它应该具备什么特征？

要具备的特征，第一磁熵变很大，因为普通的磁制冷我们用的是顺磁盐，它是个顺磁体，所以制冷的基本原理还是用熵变的原理，那么普通的顺磁材料就是我们加了磁场以后，磁矩是沿着磁场去取向，所以这时候是有序的，熵是比较低的。第二，如果它在某一个磁场下，要发生一级相变的这种材料是最理想的，因为你主要发生了这种一级相变以后，磁熵变就非常之大，所以标志着制冷能力的格里乃森参数（Grüneisenparameter），就是制冷系数就会呈现发散的这样一个趋势，所以我们希望能够寻找理想的，就能够有这样的磁熵变，能够有一级相变的这样的材料，所以这是我们要寻找的。

5. 最近发现的同时具备固体和超流体特征的自旋超固态，意味着什么？

因为我们发现的是叫自旋超固态，那么它是具有固体的特征，同时具有超流动性这样的特征，所以这两个特征导致这是一个非常罕见的，这样一个量子的新奇的物态，固体是要支撑这样的，因为我们这里边是磁性离子，那么你要支撑这些离子的分布，那么这些离子、原子排布在那，因为它有磁矩，那么磁矩在里面起到非常关键的作用，所以磁矩和磁矩之间都有相互作用，所以固体这个序非常之重要，我们发现在这样的一个磁性材料里面，它是个三子格这样的一个序的存在，那么这是由于交换作用，反铁磁这样的一个交换作用导致的，那么这个物态在加了磁场之后，它会有一个量子的临界点，那么在临界区域的时候，我们发现这样的一个量子现象，导致熵变就变得很尖锐，就类似于一级相变一样的，那么就导致了我们的熵变就很大，所以温度最后下去了，维持的温度就很低，所以这是基本原理，所以是量子增强的这样一个低温制冷的现象。

6. 你们一般是如何寻找这些材料的，会使用人工智能吗？

对，你说的材料实际上是，2019 年美国的一个团队发现的（Na₂BaCo(PO₄)₂），那么当时这个材料发现以后，是作为量子自旋液体的候选材料，那么后来我们通过研究以后，包括国内外的一些团队的研究发现，量子自旋液体现在这个特征不明显，我们再继续研究的时候发现，它实际上不是量子自旋液体，而是一种新的量子物态，我们叫自旋超固态，所以这个材料是现实里边已经存在的，这样的一个材料我们在研究，那么实际上我们现在在做的，你刚才提到的人工智能，我们已经用了人工智能的办法，已经设计了一系列这样的类似的材料，我们现在正在测试，因为材料的合成它是需要周期需要时间，而且还需要大量的探索，所以现在人工智能，我们可以说方向在什么地方，但是要精准地告诉你这个材料就是这样的，满足你的要求的，现在还有一段路要走，但是我相信最终慢慢地会发展到这一步的。

7. 怎样才能让这种特别的材料在工程应用中落地？

对，你说的这个问题实际上是非常重要，我们一直在思考这个问题，我们发现了这样一个基础研究的成果以后，我们现在已经做低温的制冷机，利用我们现在发现的这样一个现象，和我们的材料作为制冷工质，那么目前情况下，我们已经可以在实际的应用，特别是在科学研究里面，我们现在可以用了，我们现在已经做到了 20mK 这样极低温的器件，低温的制冷器件，那么研究这样的一些科学问题，基本上是没什么问题，那么，但是如果真是最后我们推广工程化的，我们现在目前做的是把整个技术要完善了，那么包括我们的制冷的原理，制冷样机的我们采取的技术，当然我们有专利的申请，有些专利的技术，那么我们最后设计的低温的器件，低温制冷机的原型机，那么这一系列我们正在做，做完之后，我们整套形成了技术以后，我们就会把这样的（技术）转让给公司，因为我们科研人员的人力有限，不可能去做工程化的事情，最后我们把整个的原创的一些技术，我们转给公司由公司去做，这样的话就会把这个市场就会推广下去，成本上肯定很有优势，因为我们制作的器件，第一，它是小型化的，第二，比如说在空间探测的时候，大型的制冷机运不上去的，特别是在空间里以后氦-3、氦-4 分离，所以它有挑战性的，我们制造的就非常地精致，而且是比较小的，所以在这些大型的空间探测，深空探测，还有一些物质科学的研究，成本肯定是要比氦-3、氦-4 要低得多，目前我们还确实无法给出一个明确的（成本预期），因为我们现在正在研制阶段，我们正在研究的一点点往前推进，但是至少从目前的情况来看，一台稀释制冷机就是三四百万的人民币，那么我们这个出来可能比他们能够，差不多是它的 1/3、1/4 的这样的，我想这个成本还是很低的。

8. 在您看来，极低温技术最有可能被应用在生活的哪些方面？

跟大众的生活目前情况下，我觉得现在比如说冰箱什么之类的，这些用不了这种极低温的技术，这个极低温的技术是探索我们自然的奥秘，我们要揭示一些，与重大的原创性的一个科学发现，我们必须要把一些热的噪声抑制的，然后看到一些新的现象，这些现象对于人类文明的进步，对于我们认识大自然，认识这个宇宙，我想这是起到非常大的作用，所以主要最后还是在科学研究的上面，深空的探测、量子科技，比如说我们以后量子科技，量子计算机出来以后要用到极低温，对吧，这些就会发挥大的作用。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

受访人：苏刚

审核：谭宏博 西安交通大学制冷与低温工程系教授，徐荣吉 中国制冷学会 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司