中國科學院大學蘇剛發《物理評論快報》：超臨界磁壓熱效應

近日，中國科學院大學蘇剛教授團隊與合作者利用自己發展的精確高效有限溫度張量重正化群方法，完整給出了Shastry-Sutherland晶格量子磁性模型的壓力—溫度相圖，發現該相圖與水的相圖極為相似，同時發現在臨界點上方的超臨界區存在一種新奇的量子關聯誘導的制冷機制，命名為超臨界磁壓熱效應。該效應給出了一種無液氦極低溫制冷的新原理。相關研究成果發表在《物理評論快報》上。

阻挫量子磁體在極低溫有顯著的量子漲落，可能涌現出超越朗道-金茲堡-威爾遜對稱破缺范式的新奇物態和相變，如具有分數化激發的量子自旋液體和解禁閉的量子臨界點等。由于阻挫量子磁體在極低溫呈現出新穎熱物性、存在高度可調的巨大磁熵密度，在遠低于相互作用能標的低溫，系統仍然存在很強的自旋漲落，是國際上備受關注的重要研究方向。

最近，多個實驗組在阻挫磁體SrCu2(BO3)2晶體的高壓熱力學研究方面取得進展。研究發現了方塊聚合自旋單態存在的比熱證據，揭示了該磁性材料相圖與水相圖的相似之處，即二者均存在一級相變；終止于一個涌現的孤立臨界點；在高壓下施加磁場的低溫核磁共振測量提供了存在鄰近解禁閉量子臨界點的實驗證據等。

實驗研究的快速進展，迫切需要理論的支撐和指導。然而，由于高度阻挫和強量子漲落的特點，對該體系開展精確可控的多體理論研究比較困難，特別是有限溫度性質的計算還比較缺乏。蘇剛聯合研究團隊利用自己發展的精確高效有限溫度張量重正化群方法，系統給出了與該材料相關的Shastry-Sutherland阻挫晶格模型的溫度—壓力相圖，發現在低于系統能標兩個數量級的低溫下，存在對稱破缺的方塊聚合自旋單態固體相，首次在理論上得到其對應的有限溫度相變線及其臨界終點。在方塊自旋單態上繼續施加外磁場，發現系統存在從方塊單態到自旋超固態的量子相變，并給出了實驗可觀測的中子散射和磁熱效應等理論預言。

這些理論結果印證了最近針對SrCu2(BO3)2晶體材料取得的實驗進展。他們同時發現，在該系統的涌現臨界點上方超臨界區，存在著由量子關聯變化，即從二聚合自旋單態到方塊聚合自旋單態液體，所引起的顯著磁熵效應。與傳統磁熱效應中磁矩隨外場變化產生有序—無序轉變帶來的磁熵變完全不同，這是一種新型的磁無序—無序轉變的效應，被命名為超臨界磁壓熱效應，為無液氦極低溫固體制冷提供了一個新思路。

中國科學院大學供圖