2025-07-29 10:21
在科技发展的前沿阵地，极低温环境如同氧气般不可或缺——量子计算机、深空探测、粒子物理研究……这些尖端领域都需要接近绝对零度的极端环境支撑。
然而长期以来，支撑这一低温世界的核心资源“氦-3”却如黄金般稀缺。面对“我国氦-3几乎全部依赖进口”的困境，科学家们如何突破资源枷锁，开启极低温制冷的新纪元？
近年，一项名为“发现自旋超固态巨磁卡效应与极低温制冷新机制”的研究成果入选国家自然科学基金委员会“中国科学十大进展”。
中国科学院物理研究所孙研究员团队另辟蹊径，在钴基三角晶格材料中首次捕获了长期悬而未决的“自旋超固态”存在的铁证，并基于此研发了不依赖氦气的极低温固态制冷新技术。
氦气，尤其是其同位素氦-3，是传统极低温制冷技术的命脉。1908年，荷兰物理学家昂内斯首次液化氦气，开启了极低温世界的大门。
但氦气资源的全球性稀缺，尤其是氦-3的极度匮乏，成为卡住我国科技发展的瓶颈。科学家们亟需寻找一条不依赖氦资源的“极低温之路”。
超固态，一种理论上同时具备固体刚性与超流体零黏滞性的神奇量子态，自20世纪70年代提出以来，一直是物理学的圣杯之一，甚至被《科学》杂志列入“125个最具挑战性的科学问题”。它能否在真实的固体材料中存在？孙研究团队将目光投向了一种特殊的材料——钴基三角晶格材料。
经过精密的量子计算模拟，我国科学家团队率先预言了该材料的基态极可能是寻觅已久的自旋超固态。但预言需要实证。他们准备制备出高质量单晶材料，而后历经多次器件迭代，终于攻克低温绝热与变场测温等技术壁垒。
精密实验显示：在量子临界点附近，材料温度急剧下降；同时，超流引发的量子涨落使材料在绝热退磁过程中保持稳定低温，展现出“完美的磁卡制冷效应”。
由于钴离子磁矩微弱，实验需在0.1K以下的极寒中进行。为了从微观层面“看见”超固态，我国科学家团队远赴国际先进中子源实验站。
历经多次攻关，中子衍射图谱首次从原子尺度揭开了钴基晶格中自旋超固态的神秘面纱——这是人类首次在真实量子磁体中捕获超固态存在的直接证据。
团队成功研制出基于量子磁性材料的固态制冷原型器件，已投入部分前沿科研的实际应用中。如今基于此技术的“更多极低温测量功能正在开发中”。
这项突破为极低温制冷提供了不依赖稀缺氦气（尤其是氦-3）的全新方案，缓解战略资源受制于人的风险。
它有望将我国大科学装置的测试温度进一步推向更低极限，为量子科技、新材料探索、基础物理研究提供更强引擎。
为未来开发更高效、更紧凑、更可靠的极低温制冷机铺平道路，惠及航天探测、医疗成像（如超导MRI）、量子计算等领域。
当然，迈向成熟应用仍需时间。孙研究员坦言，当前目标是“实现更低温、更高冷量的极低温制冷技术”，他所带领的团队将继续深耕量子磁性材料，推动基础研究向工程技术的转化。
当钴基晶格中的量子被我们解码，一场制冷革命已然启幕。从实验室的微观世界到浩瀚宇宙的探测前沿。
我国科学家正用自主创新为极低温世界注入不竭动力——科技自立自强的光芒，终将是照亮人们探索未知的每一个寒极。