近日，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授和中國(guó)科學(xué)院理論物理所李偉研究員組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用先進(jìn)的有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，發(fā)現(xiàn)了由拓?fù)浼ぐl(fā)所引發(fā)的巨大磁卡效應(yīng)，并提出一種無(wú)需利用液氦的極低溫制冷新思路，為吉塔耶夫磁體可能的應(yīng)用指明了新方向。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·通訊》上。

　　在部分順磁鹽中，人們發(fā)現(xiàn)其自由磁性離子會(huì)引發(fā)顯著的磁卡效應(yīng)，可利用順磁鹽水合物通過(guò)絕熱去磁來(lái)達(dá)成亞開(kāi)溫區(qū)的低溫制冷，當(dāng)前傳統(tǒng)的絕熱去磁制冷大多采用這一技術(shù)路線。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(dǎo)致的化學(xué)穩(wěn)定性較差、熱導(dǎo)率較低以及具有腐蝕性等固有缺陷，在很大程度上限制了順磁鹽作為制冷工質(zhì)在實(shí)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(qiáng)烈的自旋漲落以及磁激發(fā)帶來(lái)的增強(qiáng)熱導(dǎo)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(shí)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(yuǎn)低于相互作用能標(biāo)的低溫甚至零溫時(shí)也不會(huì)形成磁有序，其低能拓?fù)浼ぐl(fā)會(huì)攜帶巨大的低溫熵，通過(guò)外場(chǎng)的有效調(diào)控能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的磁卡效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拓?fù)浼ぐl(fā)極低溫制冷，這為探索新型固態(tài)制冷機(jī)制開(kāi)辟了一條新途徑。

　　研究團(tuán)隊(duì)利用自行開(kāi)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(jì)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(chǎng)相圖。研究發(fā)現(xiàn)，鐵磁系統(tǒng)在中間溫度區(qū)間的分?jǐn)?shù)液體相存在顯著的磁卡效應(yīng)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在反鐵磁情形下，中間磁場(chǎng)相為無(wú)能隙的U(1)量子自旋液體相，其具有自旋子(spinon)費(fèi)米面，展現(xiàn)出巨大的低溫熵以及更為顯著的磁卡效應(yīng)，通過(guò)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(jī)制不同于傳統(tǒng)磁熱效應(yīng)中單個(gè)磁矩隨外場(chǎng)變化而帶來(lái)的磁熵變，這是一種由系統(tǒng)中的拓?fù)浼ぐl(fā)及演生規(guī)范場(chǎng)等集體激發(fā)所引發(fā)的新型磁卡效應(yīng)，被命名為拓?fù)浼ぐl(fā)磁卡效應(yīng)。

　　研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)吉塔耶夫磁體的候選材料如何實(shí)現(xiàn)拓?fù)浼ぐl(fā)磁卡效應(yīng)進(jìn)行了研究。通過(guò)探討材料中可能存在的海森堡等非吉塔耶夫相互作用對(duì)磁卡效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的自旋分?jǐn)?shù)化現(xiàn)象和拓?fù)浼ぐl(fā)穩(wěn)定地存在于一定的能量/溫度范圍，由拓?fù)浼ぐl(fā)所引起的磁卡效應(yīng)具有魯棒性。該項(xiàng)研究表明，吉塔耶夫量子磁體不僅在實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算方面具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且在無(wú)液氦極低溫固態(tài)制冷領(lǐng)域同樣有著潛在的廣闊應(yīng)用前景。