極低溫制冷技術(shù)在量子計(jì)算和空間探測(cè)等高技術(shù)領(lǐng)域以及基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域均起到了不可替代的重要作用。目前，極低溫制冷技術(shù)主要有3He吸附制冷、3He/4He 稀釋制冷和絕熱退磁制冷。早在1933年，美國加州大學(xué)伯克利分校William F. Giauque教授就利用順磁性鹽的絕熱退磁效應(yīng)創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的極低溫記錄，即0.25 K，因此獲得了1949年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)3He資源的極具短缺為極低溫磁制冷技術(shù)的發(fā)展帶來全新的機(jī)遇。
雖然以鎵酸釓石榴石晶體Gd?Ga?O??（GGG）為代表的一系列極低溫磁制冷材料均已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但是其反鐵磁基態(tài)的物理本質(zhì)決定了必須依賴超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的高磁場(chǎng)。超導(dǎo)磁體體積大且磁屏蔽系統(tǒng)極為復(fù)雜，為空間應(yīng)用帶來了諸多挑戰(zhàn)。針對(duì)該問題，磁性與熱功能材料研究部的科研人員一直致力于研制超低磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁制冷新材料。前期研究發(fā)現(xiàn)了4 K溫區(qū)的鐵磁性LiHoF4晶體，5 kOe磁場(chǎng)下磁熵變高達(dá) 16.7 J kg-1K-1 （NPG Asia Mater. 15,41 (2023)）。在此基礎(chǔ)上，近期發(fā)現(xiàn)了極低溫溫區(qū)鐵磁性NH4GdF4，其各項(xiàng)性能大幅超越GGG，為緊湊型、輕量化極低溫磁制冷系統(tǒng)研發(fā)奠定了材料基礎(chǔ)，相關(guān)成果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc. 2025,147,38,34862–34868。論文第一作者為博士后國慶，通訊作者分別為李昺研究員和中國科學(xué)院物理研究所項(xiàng)俊森副研究員。
NH4GdF4在 Tc = 0.85 K發(fā)生鐵磁性轉(zhuǎn)變，鐵磁態(tài)具有大磁矩和低磁晶各向異性，小磁場(chǎng)下可磁化飽和。由于該鐵磁性特征，磁場(chǎng)變化為 0 - 20 和 0 - 10 kOe時(shí)，最大磁熵變-ΔSm，max分別為 51.6 和 38.2 J·kg-1·K-1，約為 GGG 的 2.5 倍和 9 倍（圖1a）。初始溫度為1.8 K時(shí)，10 kOe 磁場(chǎng)下準(zhǔn)絕熱退磁可降溫至0.71 K，遠(yuǎn)優(yōu)于GGG可到達(dá)的1.3 K（圖1b）。初始溫度為4 K（約為液氦溫度）時(shí)，20 kOe磁場(chǎng)絕熱退磁降溫至 0.79 K（圖1c），進(jìn)入了極低溫溫區(qū)；而該條件下GGG的僅可降溫至1.5 K。上述結(jié)果表明NH4GdF4不僅可取代GGG成為極低溫溫區(qū)磁制冷的新材料，由此大幅降低制冷系統(tǒng)的體積和重量；而且也預(yù)示著鐵磁性材料是一條行之有效的極低溫磁制冷技術(shù)路線。
本項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金（52425107），國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3501201）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB1270000）和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃“從0到1”項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC002）的資助，也得到了SPring-8（2024B1606）大科學(xué)裝置機(jī)時(shí)支持。
圖 1. NH4GdF4 的極低溫磁制冷性能。（a）磁熵變 -ΔSm曲線；（b）NH4GdF4 和 GGG 在 10 kOe磁場(chǎng)下從不同初始溫度（1.8、4.0和6.0 K）的準(zhǔn)絕熱退磁冷卻曲線；（c）NH4GdF4 和 GGG 在20 kOe磁場(chǎng)從不同初始溫度（1.8、4.0和6.0 K）的準(zhǔn)絕熱退磁冷卻曲線。
AI讀進(jìn)展：新突破！一種新型“磁冰箱”材料，助力量子計(jì)算機(jī)“冷靜”工作
想象一下，為未來的量子計(jì)算機(jī)或深空探測(cè)器制造一臺(tái)更小巧、更輕便的“超級(jí)冰箱”。最近，中國科學(xué)家在這一領(lǐng)域取得了關(guān)鍵進(jìn)展，他們發(fā)現(xiàn)了一種新型磁性材料，有望讓這種“冰箱”的性能大幅提升，同時(shí)體積和重量顯著減小。
為什么需要“極低溫冰箱”？
在量子計(jì)算、衛(wèi)星探測(cè)和基礎(chǔ)物理研究等前沿領(lǐng)域，許多設(shè)備需要在接近“絕對(duì)零度”（-273.15℃）的極低溫度下工作。在這個(gè)溫度下，原子幾乎停止運(yùn)動(dòng)，量子特性才能穩(wěn)定顯現(xiàn)，超靈敏的探測(cè)器才能正常工作。
這就好比要給一個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、極其精密的CPU創(chuàng)造一個(gè)絕對(duì)“安靜”的環(huán)境，它才能不出錯(cuò)。目前，創(chuàng)造這種極低溫環(huán)境的技術(shù)非常復(fù)雜，其中一種重要的方法叫做?“磁制冷”。
什么是“磁制冷”？
您可以把它想象成一塊特殊的“磁性海綿”：
- 加磁場(chǎng)（充磁）：當(dāng)施加一個(gè)外部磁場(chǎng)時(shí)，這塊“海綿”內(nèi)部的磁針會(huì)整齊排列，這個(gè)過程會(huì)發(fā)熱。我們通過外部冷卻系統(tǒng)（比如液氦）把這些熱量帶走。
- 撤磁場(chǎng)（退磁）：當(dāng)外部磁場(chǎng)撤掉后，“海綿”內(nèi)部的磁針會(huì)變得雜亂無章，這個(gè)過程需要吸收熱量，從而使其自身及周圍環(huán)境的溫度迅速降低。
這就是磁制冷的基本原理。早在1933年，科學(xué)家就利用這個(gè)原理創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的低溫紀(jì)錄，并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸：笨重的“超導(dǎo)磁鐵”
目前，廣泛使用的磁制冷材料（如GGG晶體）有一個(gè)天生的缺點(diǎn)：它們的磁性本質(zhì)是“對(duì)抗性”的（學(xué)術(shù)上稱為“反鐵磁性”）。要想讓它們有效制冷，必須使用超導(dǎo)磁體來產(chǎn)生非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)。
超導(dǎo)磁體雖然強(qiáng)大，但體積龐大，而且需要復(fù)雜的屏蔽系統(tǒng)，非常笨重。這對(duì)于需要“斤斤計(jì)較”重量的太空應(yīng)用（如空間望遠(yuǎn)鏡、量子通信衛(wèi)星）來說，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)：更“聽話”的鐵磁性材料
針對(duì)這個(gè)難題，中國科學(xué)院金屬研究所的科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，成功發(fā)現(xiàn)了一種新型材料——鐵磁性NH4GdF4。
這種材料的最大特點(diǎn)是其內(nèi)部磁性是“合作性”的（鐵磁性），就像一隊(duì)訓(xùn)練有素的士兵，非常“聽話”。
- 更易驅(qū)動(dòng)：它不需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)，一個(gè)相對(duì)較弱的磁場(chǎng)就能讓其磁性達(dá)到飽和狀態(tài)。這意味著，未來可能不再需要笨重的超導(dǎo)磁體，用更小巧、更簡(jiǎn)單的磁體就能驅(qū)動(dòng)。
- 制冷效率倍增：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)令人振奮：
- 在相同磁場(chǎng)下，新材料的制冷效率（磁熵變）?達(dá)到了傳統(tǒng)GGG材料的2.5倍到9倍。
- 在模擬實(shí)驗(yàn)中，新材料能將溫度從液氦溫度（4K，約-269℃）降至0.79K，而傳統(tǒng)材料只能降到1.5K。別小看這不到1度的差距，在極低溫世界，這是巨大的性能飛躍。
這意味著什么？
這項(xiàng)研究成果發(fā)表在權(quán)威期刊《美國化學(xué)會(huì)志》上，它預(yù)示著：
- 更緊湊的極低溫系統(tǒng)：未來，為量子計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星載荷提供制冷的設(shè)備可以做得更小、更輕，這對(duì)于太空探索和量子技術(shù)的實(shí)用化至關(guān)重要。
- 一條新的技術(shù)路線：它證明了鐵磁性材料是研發(fā)下一代極低溫磁制冷技術(shù)的有效途徑，為全球科學(xué)家打開了新的思路。
總而言之，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)就像是為極低溫制冷領(lǐng)域找到了一種性能更強(qiáng)的“核心耗材”，讓我們?cè)诮ㄔ煜乱淮呖萍肌氨洹钡牡缆飞线~出了堅(jiān)實(shí)的一步，為未來許多尖端技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的材料基礎(chǔ)。
聲明：“AI讀進(jìn)展”內(nèi)容由人工智能技術(shù)自動(dòng)生成，其內(nèi)容旨在輔助讀者初步了解相關(guān)領(lǐng)域研究動(dòng)態(tài)，不代表中國科學(xué)院金屬研究所正式學(xué)術(shù)觀點(diǎn)或完整研究成果，不作為學(xué)術(shù)論證依據(jù)。
文檔附件
