記者9月13日從中國科學院大學(國科大)獲悉，中國科研團隊運用先進的有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，經(jīng)大規(guī)模計算完整地給出鐵磁與反鐵磁情形下吉塔耶夫(Kitaev)蜂巢晶格模型的溫度-磁場相圖，研究發(fā)現(xiàn)由拓撲激發(fā)所引發(fā)的巨大磁卡效應(yīng)，并提出一種無需利用液氦的極低溫制冷新機理。

這項基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域重要研究成果，由國科大蘇剛教授團隊和中國科學院理論物理研究所李偉研究員團隊合作完成，為吉塔耶夫磁體可能的應(yīng)用指明了新方向，相關(guān)研究論文已在國際學術(shù)期刊《自然-通訊》發(fā)表。

本次研究的吉塔耶夫蜂巢晶格磁體的拓撲激發(fā)制冷機制示意圖。國科大/供圖

研究團隊介紹說，在部分順磁鹽中，學界發(fā)現(xiàn)其自由磁性離子會引發(fā)顯著的磁卡效應(yīng)，可利用順磁鹽水合物通過絕熱去磁來達成亞開溫區(qū)的低溫制冷，當前傳統(tǒng)的絕熱去磁制冷大多采用這一技術(shù)路線。不過，盡管利用順磁鹽制冷的效率較高，然而順磁鹽存在磁性離子密度較低、含水結(jié)構(gòu)導致的化學穩(wěn)定性較差、熱導率較低以及具有腐蝕性等固有缺陷，這在很大程度上限制了順磁鹽作為制冷工質(zhì)在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

阻挫量子磁體通常具備較高的磁性離子密度、強烈的自旋漲落以及磁激發(fā)帶來的增強熱導等，并且材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可作為新型的磁制冷工質(zhì)，有望實現(xiàn)極低溫的固態(tài)制冷。吉塔耶夫量子自旋液體由于阻挫效應(yīng)與量子漲落的共同作用，即便在遠低于相互作用能標的低溫甚至零溫時也不會形成磁有序，其低能拓撲激發(fā)會攜帶巨大的低溫熵，通過外場的有效調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的磁卡效應(yīng)，進而實現(xiàn)拓撲激發(fā)極低溫制冷，這為探索新型固態(tài)制冷機制可開辟一條新途徑。

基于此，研究團隊利用自行開發(fā)的精確高效有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，經(jīng)大規(guī)模計算系統(tǒng)地給出了鐵磁及反鐵磁吉塔耶夫蜂巢晶格阻挫模型的溫度-磁場相圖。他們研究發(fā)現(xiàn)，鐵磁系統(tǒng)在中間溫度區(qū)間的分數(shù)液體相存在顯著的磁卡效應(yīng)。進一步通過熱力學計算發(fā)現(xiàn)，在反鐵磁情形下，其展現(xiàn)出巨大的低溫熵以及更為顯著的磁卡效應(yīng)，通過絕熱去磁能夠?qū)崿F(xiàn)極低溫固態(tài)制冷。

研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)中的制冷機制不同于傳統(tǒng)磁熱效應(yīng)中單個磁矩隨外場變化而帶來的磁熵變，這是一種由系統(tǒng)中的拓撲激發(fā)及演生規(guī)范場等集體激發(fā)所引發(fā)的新型磁卡效應(yīng)，被命名為拓撲激發(fā)磁卡效應(yīng)。

隨后，研究團隊還對吉塔耶夫磁體的候選材料如何實現(xiàn)拓撲激發(fā)磁卡效應(yīng)進行研究，通過探討材料中可能存在的海森堡等非吉塔耶夫相互作用對磁卡效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的自旋分數(shù)化現(xiàn)象和拓撲激發(fā)穩(wěn)定地存在于一定的能量/溫度范圍，由拓撲激發(fā)所引起的磁卡效應(yīng)具有魯棒性。

研究團隊總結(jié)說，這項研究表明，吉塔耶夫量子磁體不僅在實現(xiàn)拓撲量子計算方面具有重要的科學價值，而且在無液氦極低溫固態(tài)制冷領(lǐng)域同樣具有潛在的廣闊應(yīng)用前景。