近日，中国科学院大学教授和教授团队，联合中国科学院理论物理研究所研究员在量子磁性物质中发现了一种新奇的物理效应：超临界磁压热效应。该效应具有重要的潜在应用价值，有望为无液氦极低温固态制冷提供新的物理原理。极低温制冷技术，一般指在亚开温度之下提供一定冷量的先进技术。由于全球的氦资源缺乏，无氦固态制冷技术在近年来备受关注。而该课题组此次提出的超临界磁压热效应，正是一种有别于传统磁热效应的新型制冷机制。阻挫量子磁性材料有望成为新一代极低温制冷工质，有潜力被用于多场调控的无液氦制冷。而叠加本次发现的超临界磁压热效应，无疑将更快推进无氦固态制冷技术的进一步发展。Shastry-Sutherland 模型：量子磁性的“万花筒”
1981 年，印度裔美国凝聚态物理学家 B·斯里拉姆·沙斯特里（）和美国理论物理学家 T·比尔·萨瑟兰（）提出了后来以他俩名字命名的严格可解模型——Shastry-Sutherland 模型 [1]。20 世纪 90 年代，人们发现 Shastry-Sutherland 模型并不仅仅是理论上的“玩具模型”，而是存在着真实的材料对应 SrCu2(BO3)2 [2]，并能在磁场和压力调控之下，展现出丰富的量子磁性物态。
比如，在磁场驱动之下，Shastry-Sutherland 模型能涌现出多个分数磁化平台；在压力驱动之下，Shastry-Sutherland 模型则能实现从共价键态到奈尔序的量子相变。Shastry-Sutherland 模型好比是量子磁性的“万花筒”，吸引着人们针对该模型及其相关材料开展了长期研究。几十年间，新发现和新惊喜不断涌现。2021 年，人们发现 SrCu2(BO3)2 材料的压力-温度相图与水相图具有类似性 [3]。2023 年，人们揭示了临近解禁闭的量子临界现象 [4]。针对这些现象人们亟待理论上给予深入理解和认知。然而，由于强关联作用和强阻挫的存在，通常采用的精确对角化、量子蒙特卡洛等方法，并不适用于大尺寸的计算。而密度矩阵重正化群的方法，固然能够计算体系的零温性质，但是针对实验中在有限温度之下观察到的量子自旋物态，这种方法却很难提供可靠的计算结果。所以，要想研究这些现象，需要开发新的理论方法和计算工具。关联量子系统——是团队长期的主要研究方向。其中一类重要研究对象是量子自旋阻挫体系及相关材料。这类材料体系中蕴含着丰富的新奇物态和新奇相变，是现代凝聚态物理研究的重要前沿方向。近年来，课题组注意到量子阻挫磁性材料 SrCu2(BO3)2，它具有 Shastry-Sutherland 格子的结构。当存在反铁磁相互作用时，该结构会呈现出典型的自旋阻挫特征。而其中可能涌现的新奇量子物态，吸引了人们长久的研究兴趣。自 2010 年起，该团队开始发展有限温度的张量网络态方法。十多年来，他们先后发展出一系列高效精确的先进计算方法，因此已经具备研究上述物理问题的技术储备。而由于 Shastry-Sutherland 格子是自旋阻挫体系的典型代表之一，该团队则长期对上述体系和相关材料保持关注，也曾在理论上预言过具有这种晶格的新材料。2021 年前后，课题组在一次内部交流之后注意到，近年来领域内针对 SrCu2(BO3)2 在实验上已经取得不少新进展。然而，鲜少有人研究与之相关的有限温度理论。因此，建议团队成员和中国科学院理论物理研究所研究员开展合作，采用自主发展的先进张量网络态方法，来研究 SrCu2(BO3)2 材料对应的 Shastry-Sutherland 模型，期望能够发现新的物理现象。合作期间，主要由博士后王俊森和李涵负责具体的计算工作。首先通过大量的计算，获得了关于该体系的完整压力-温度相图。在此基础上，他们探索了上述相图中存在的各种量子相、及其转变边界和相关物理效应。实际上，根据他们对于该体系的已有认识，最初的研究目标之一在于：寻找该模型中可能存在的解禁闭量子临界点的有限温度信号。经过漫长的计算之后，数据分析表明在这个系统尺寸下，并没有发现任何相关的信号。也就是说，计算结果并不符合最初的预期。后来，经过仔细讨论和进一步分析，他们在相图中找到了从方块液体到方块单态的连续相变、以及自旋超固态。特别是，他们发现在涌现临界点的上方存在一个超临界区，课题组据此提出了一种新奇的磁热效应：超临界磁压热效应（supercritical magnetic barocaloric effect）。这种磁热效应的特点在于，在压强变化之下能够产生量子关联诱导的制冷效应。那么，这种效应具体是如何被发现的？研究中，他们利用自主发展的理论方法，系统研究了自旋 1/2 的 Shastry-Sutherland 模型，给出了关于该体系的完整压力-温度相图。他们将 Shastry-Sutherland 晶格模型的计算推进到此前难以到达的低温区间，进而揭示了阻挫磁性奇特的低温性质，让相关实验现象得以被解释。他们发现在低于系统能标两个数量级的低温之下，存在对称破缺的方块单态固体相，首次从理论上得到其对应的二级相变线及其临界终点。其还发现通过施加磁场的方法，可以让系统从方块单态经过一个量子相变进入自旋超固态，并给出了对应这种量子相变的中子散射和磁热效应的理论预言，以供进一步实验进行检验。更有趣的是，在上述相图中涌现临界点的上方存在一个超临界区，这个超临界区具有十分特殊的磁学性质和热力学性质。基于此课题组提出一种由量子关联诱导的随压强变化的新奇磁热效应，并将其命名为超临界磁压热效应。不同于传统的磁热效应，超临界磁压热效应是一种全新的物理效应。具体来说，在传统的磁热效应之中，当外场发生变化时，磁矩会随之产生有序-无序的转变，从而带来磁熵变化，进而引起磁热效应。而超临界磁压热效应的来源在于，当处于加压条件之时，局域自旋关联模式会发生变化，导致发生磁无序-无序量子关联转变，进而引起这种新型磁压热效应。随后，他们又继续开展深入研究，开始撰写论文。最终，论文经过两轮审稿以《Shastry-Sutherland 模型中的方块单态转变、磁压热效应和自旋超固态》（）为题发在 Physical Review Letters[6]。王俊森博士、李涵博士是共同一作，、、担任共同通讯作者。图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）下一步，他们将继续研究 Shastry-Sutherland 模型的温度-压力-磁场相图，寻找其中可能存在的自旋向列相和临近解禁闭的量子临界点。另外，也将积极与其他实验组开展深入合作，通过实验验证来进一步探索磁压热效应及其潜在应用。
1.Physica（Amsterdam）108B+C, 1069（1981）2.Phys. Rev. Lett. 82, 3701（1999）3.Nature 592, 370（2021）
4.Science 380, 1179（2023）
5.Chemical Science 2019, 10, 103816.Junsen Wang, Han Li, Ning Xi, Yuan Gao, Qing-Bo Yan, Wei Li, and Gang Su.Phys. Rev. Lett.131, 116702
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