中国科学院大学、北航合作最新Nature：自旋超固态候选材料Na2BaCo(PO4)2中的巨磁热效应

中国科学院大学、北航合作最新Nature：自旋超固态候选材料Na₂BaCo(PO₄)₂中的巨磁热效应

【导读】

超固态是一种奇特的物质量子态，由形成不可压缩固体结构的粒子组成，同时表现出零粘度的超流性，是基础研究中长期存在的追求之一。虽然最初⁴He超固态的报道被证明是一个人工制品，但是这个有趣的量子物质激发了人们对超冷量子气体的研究热情。尽管如此，在凝聚态物质中实现超固态仍然难以捉摸。

【成果掠影】

今日，中国科学院大学苏刚、孙培杰、李炜和北京航空航天大学金文涛课题组合作，在最近合成的三角晶格反铁磁体Na₂BaCo(PO₄)₂中找到了超固态-自旋超固态的量子磁学类似物的证据。值得注意的是，在退磁冷却过程中观察到了与自旋超固相关的巨磁热效应，表现为两个显著的类谷区，最低温度达到了100 mK以下。本工作不仅在实验上确定了一系列的临界场，而且退磁冷却曲线也与采用海森堡模型的理论模拟吻合得很好。中子衍射还成功地定位了所提出的自旋超固态相，揭示了晶格自旋固体有序和层间不可公度的共存，表明了自旋超流性。因此，本工作的结果揭示了受挫量子磁体中自旋超固相的强熵效应，并为极低温制冷开辟了一条可行的和有前途的应用途径，特别是在对氦短缺的持续担忧的背景下。相关论文以题为“Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na₂BaCo(PO₄)₂”的论文发表在Nature上。

【数据概况】

图1. 自旋超固态冷却、自旋-玻色子映射和U(1)相位涨落示意图© 2024 Springer Nature Limited

图2. NBCP的准绝热退磁冷却和低温热容© 2024 Springer Nature Limited

图3. 低温磁热效应、场致量子相变和场-温相图© 2024 Springer Nature Limited

图4. 低温中子衍射© 2024 Springer Nature Limited

【成果启示】

在理论提出后的近二十年里，本工作通过相互印证的磁热和中子测量，确定了三角晶格磁体NBCP中超固态的实验特征，并得到了理论计算的进一步支持。与TLAF体系中提出的丰富多样的量子自旋态相呼应，由于实验的快速发展，越来越多的三角晶格化合物涌现出来。它们具有相似的结构，也可能存在自旋超固态等奇特态。

在NBCP中的极低温MCE响应远大于迄今为止研究的其他磁性材料。阻挫量子磁体不仅为探索新的自旋态提供了一个通用而强大的平台，而且与水合物顺磁冷却剂相比，它们还具有几个引人注目的优点，例如由量子临界和阻挫效应增强的强自旋涨落、较高的磁性离子密度和良好的化学稳定性。这些优点为它们在量子技术和空间应用中的极低温制冷开辟了一条有前途的途径。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06885-w

本文由温华供稿。