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图 自旋超固态及其巨磁卡效应。（左）自旋超固态是“固态序”与“超流序”共存的新奇量子物态。（右）自旋超固态绝热制冷曲线，与传统的顺磁材料相比具有优势，插图为钴基三角晶格结构图（左上）与晶体照片（右下）
在国家自然科学基金项目（批准号：12222412、12074023、12074024、12047503、11974036、11834014、52088101、12141002）等资助下，中国科学院大学苏刚教授、中国科学院理论物理所李伟研究员、中国科学院物理研究所孙培杰研究员和北京航空航天大学金文涛教授等组成联合研究团队，在具有三角晶格结构的钴基自旋阻挫量子磁体中，首次证实了自旋超固态的存在，通过磁场诱导的量子相变产生巨磁卡效应，并在绝热条件下达到94 mK极低温度，实现了亚开温区无液氦极低温制冷。该成果以“在自旋超固态候选材料磷酸钠钡钴盐中的巨磁卡效应（Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2）”为题，于2024年1月10日在《自然》（Nature）杂志发表。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w。
超固态是一种在接近绝对零度时涌现的新奇量子物态，兼具固体和超流体这两种看似矛盾的特征。最初，科学家们在氦4固体中观测到疑似超固态的“迹象”，但一直缺乏确凿证据。1962年，杨振宁先生提出引入非对角长程序来刻画超流和超导等宏观量子态，以区别如原子有序排列的经典对角长程序。按照该定义，超固态就是一种对角长程序和非对角长程序共存的新奇量子物态。此前在超冷原子气实验中模拟出可能存在超固态，但是迄今尚未在固体物质中发现超固态存在的可靠实验证据。
在本工作中，研究团队首先利用自主研发的量子多体计算方法，对阻挫量子自旋液体的重要候选材料Na2BaCo(PO4)2开展了系统的理论计算。研究表明，该材料的磁基态可以用具有三角晶格结构的易轴反铁磁海森堡模型进行精确描述，并预言其中同时存在对角与非对角长程序，可能是实现自旋超固态的重要候选材料。研究团队制备了高质量单晶，通过极低温中子衍射实验，实验结果与理论计算定量符合，给出了该量子磁体中存在自旋超固态的微观证据。同时，研究团队研制了新型绝热温变测量器件，实现了极低温绝热去磁，在自旋超固态的量子临界点附近达到94 mK的最低制冷温度，发现了该材料具有巨磁卡效应。由于强烈的量子自旋涨落，自旋超固相可保持很低的制冷温度，这一点与其他自旋有序物质截然不同，使其成为亚开温区具有重要应用前景的无液氦极低温制冷量子材料。
这项工作不仅是首次在量子磁体中观测到自旋超固态及其巨磁卡效应，在基础物理领域取得了重大突破，而且这种新物态和新效应具有重要的应用前景，为我国在深空探测、量子科技、物质科学研究等前沿领域的极低温制冷这一“卡脖子”难题提供了一种全新的解决方案。