无液氦极低温制冷技术 （制冷技术）

简介

2024年1月，中国科学院大学苏刚等人在钴基三角晶格量子磁性材料中，通过绝热去磁获得了94毫开（零下273.056摄氏度）的极低温，成功实现无液氦极低温制冷。

历史背景

1892年至1894年，卡末林·昂尼斯为了满足低温研究的需要而建设了大型的液化氧、氮和空气的工厂，并于1906年开始大量生产液氢，为液化氦打下基础。

1908年7月10日，卡末林·昂尼斯首次液化了最后一种永久气体氦，开启了利用液氦进行极低温制冷的新纪元。此后，极低温制冷主要利用液氦来实现，但自然界中氦元素较为稀缺，如何不用氦元素实现极低温制冷成为科学界的一个重要课题。

发展历程

2021年，中国科学院大学教授苏刚和中国科学院理论物理研究所研究员李伟基于前期的理论研究向中国科学院物理研究所博士项俊森和研究员孙培杰提出了研究钴基阻挫三角晶格材料（磷酸钠钡钴盐）低温物性的建议。

2024年1月11日，中国科学院大学、中国科学院物理研究所以及中国科学院理论物理研究所等单位的研究人员组成联合研究团队，在国际学术期刊《自然》上发表了一项关于极低温制冷的重要进展。中国科研人员在钴基三角晶格量子磁性材料中，首次发现了名为“自旋超固态”的物质状态，并得到了其存在的实验证据。随后，科研人员利用该晶体材料，通过绝热去磁获得了94毫开（零下273.056摄氏度）的极低温，成功实现无液氦极低温制冷，并命名该效应为“自旋超固态巨磁卡效应”。

应用领域

极低温制冷技术被广泛应用于大科学装置、深空探测、材料科学、量子计算等国家安全和战略高技术领域。此次基础研究的突破为解决深空探测、量子科技、物质科学等领域的极低温制冷难题提供了一种新的方案。

研究意义

极低温制冷是中国科研领域亟待攻克的关键核心技术之一。此次基础研究的突破是国际上在实际固体材料中首次给出超固态存在的实验证据。

注释

卡末林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes），1853年9月21日生于荷兰格罗宁根，1926年2月21日死于荷兰莱顿，荷兰物理学家，1913年因制成液氦和发现超导现象而获得诺贝尔物理学奖。

超固态，一种在接近绝对零度（零下273.15摄氏度）时出现的量子物态。在超固态情形下，物质中的原子一方面呈现规则的排列，同时还可以在其间“无粘滞”地流动。超固态自20世纪70年代作为理论猜测提出以来，各国科学家尚未在固态物质中找到超固态存在的可靠实验证据。

磁卡效应，磁性材料随外磁场变化而产生显著温度变化的现象。