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一個(gè)世紀(jì)之前，人類第一次將氦氣液化，從此利用液氦的極低溫制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用。例如一些大科學(xué)裝置、深空探測(cè)、材料科學(xué)、量子計(jì)算等高技術(shù)領(lǐng)域。然而，低溫技術(shù)中不可缺少的氦元素全球供應(yīng)短缺，有什么方法可以不用氦元素實(shí)現(xiàn)極低溫制冷？中國(guó)科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所項(xiàng)俊森博士和孫培杰研究員、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所李偉研究員、北京航空航天大學(xué)金文濤副教授等人組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過多年研究，在近期實(shí)現(xiàn)了無液氦情況下極低溫制冷基礎(chǔ)研究的重要突破，這就為破解我國(guó)氦資源短缺的問題提供了解決方案。該科研成果北京時(shí)間1月11日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
超固態(tài)是一種在接近絕對(duì)零度(0開，也就是零下273.15攝氏度)時(shí)出現(xiàn)的量子物態(tài)，在超固態(tài)情形下，物質(zhì)中的原子一方面呈現(xiàn)規(guī)則的排列，同時(shí)還可以在其間“無粘滯”地流動(dòng)。超固態(tài)自20世紀(jì)70年代作為理論猜測(cè)提出以來，各國(guó)科學(xué)家尚未在固態(tài)物質(zhì)中找到超固態(tài)存在的可靠實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在這項(xiàng)研究中，我國(guó)科研人員在一種鈷基三角晶格量子磁性材料中，首次發(fā)現(xiàn)了名為“自旋超固態(tài)”的新奇物質(zhì)狀態(tài)，得到了其存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。隨后科研人員利用該材料，通過絕熱去磁過程獲得了94毫開，也就是零下273.056攝氏度的極低溫，實(shí)現(xiàn)了無液氦極低溫制冷，并命名該效應(yīng)為“自旋超固態(tài)巨磁卡效應(yīng)”。
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)蘇剛教授介紹，比如我們把這次發(fā)現(xiàn)的材料放到磁場(chǎng)里面，保持熱量不泄漏的情況下給它退磁，也就是把磁場(chǎng)去掉。慢慢地在降磁場(chǎng)的過程中，材料的溫度就會(huì)慢慢地降下去，最后就降到了94毫開(零下273.056攝氏度)。
據(jù)了解，極低溫制冷是我國(guó)科研領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。這次基礎(chǔ)研究的突破是國(guó)際上在實(shí)際固體材料中首次給出超固態(tài)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。科研團(tuán)隊(duì)未來的工作目標(biāo)是繼續(xù)突破極低溫的極限，并在未來建成無液氦極低溫制冷機(jī)。極低溫制冷機(jī)可以為例如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)提供接近絕對(duì)零度的極低溫運(yùn)行環(huán)境，并且在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、深空探測(cè)等前沿技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
(總臺(tái)央視記者 褚爾嘉 李峻)