近日，由中國科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授和中國科學(xué)院理論物理所李偉研究員組成的聯(lián)合研究團隊，運用先進的有限溫度張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)方法，發(fā)現(xiàn)了由拓撲激發(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。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(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)制冷機制開辟了一條新途徑。

　　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。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)。同時，研究團隊通過熱力學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，在反鐵磁情形下，中間磁場相為無能隙的U(1)量子自旋液體相，其具有自旋子(spinon)費米面，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)。

　　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)進行了研究。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。該項研究表明，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(xué)價值，而且在無液氦極低溫固態(tài)制冷領(lǐng)域同樣有著潛在的廣闊應(yīng)用前景。