Nature发文：为无液氦极低温制冷提供新方案
超固态是一种新奇量子物态，兼具固体和超流体的特征。超固态自上世纪七十年代作为理论猜测提出以来，除了冷原子气的模拟实验外，人们一直尚未在固态物质中找到超固态存在的可靠实验证据。
最近，永乐高ylg888888苏刚教授、中国科学院物理研究所项俊森博士和孙培杰研究员、中国科学院理论物理研究所李伟研究员、北京航空航天大学金文涛副教授等组成的联合研究团队，在钴基三角晶格量子磁性材料中，通过理论和实验研究紧密结合，证实了阻挫量子磁体中超固态（自旋超固态）的存在。这是在实际固体中首次给出超固态存在的实验证据。随后，他们发现在自旋超固态量子临界点附近，该材料具有巨大的磁熵变，引起巨磁卡效应，又通过绝热去磁过程获得了94 mK的极低温，实现了亚开温区无液氦极低温制冷。该效应被称为自旋超固态巨磁卡效应。
这一新物态与新效应的发现是基础研究的一项重大突破，也为我国在深空探测、量子科技、物质科学等尖端领域研究的极低温制冷难题提供了一种新的解决方案。相关研究成果北京时间1月11日发表于Nature。
科研人员挑选高质量钴基三角晶格单晶样品
超固态之问
固态物质能否同时成为超流体？这是1970年由后来获得诺贝尔物理奖的英国科学家A. Leggett提出的著名科学问题。Leggett最早提议在氦4固体中利用非经典转动惯量来探测这种新奇的量子物态，2004年美国科研团队报道观察到单质氦超固态，但随后被证实缺乏确定性的证据。
早在1962年，杨振宁先生提出利用约化密度矩阵的非对角长程序来刻画超流和超导等量子态，以区别如原子有序排列的对角长程序。按照这一定义，超固态是对角长程序和非对角长程序共存的量子物态。
半个世纪以来，除了通过冷原子气模拟超固态可能存在的证据外，在固体中人们仍未找到超固态存在的确凿证据，而寻找这种奇特量子物态也成为人们的长期研究目标。
钴基三角晶格阻挫量子磁体
近年来，阻挫量子磁性理论与实验研究的蓬勃发展为寻找超固态提供了新机遇。针对三角晶格易轴海森堡反铁磁模型，量子多体计算研究发现其自旋面外分量破坏了晶格平移对称，会形成三子格序，即对角长程序，而面内自旋分量破坏了连续对称性，会形成二维超流态，具有非对角长程序。这正是量子磁体中的超固态，即自旋超固态。然而，在何种实际固体体系中可以呈现出自旋超固态，以及是否存在实验可观测的新颖效应，是有待探索的重要科学问题。
磷酸钠钡钴盐Na2BaCo(PO4)2是新近合成的钴基三角晶格量子反铁磁体，前期研究观察到该材料中存在很强的低能自旋涨落，提出可能是量子自旋液体。但进一步的理论研究表明，易轴三角晶格反铁磁海森堡模型可以很好地描述该钴基三角磁体，并预言其中可能存在自旋超固态。如何证实自旋超固态的存在，是十分具有挑战性的问题。
上述联合研究团队通过理论和实验的密切合作，首次在一个实际量子磁体中发现了超固态，中子衍射实验揭示了三子格对角长程序的存在，而沿面外的非公度序以及后续非弹性中子散射的实验结果揭示了超固态相中具有无质量激发的戈德斯通模，揭示了非对角长程序的存在，因此该研究给出了Na2BaCo(PO4)2中存在超固态的证据。
该联合研究团队还进一步研究了自旋超固态引起的磁卡效应。通过绝热去磁过程，发现在自旋超固态量子临界点附近，材料的温度急剧下降，磁场驱动的温度下降速率（格林奈森参数）呈现出很高的尖峰，其峰值高度是目前通用磁性制冷工质Gd3Ga5O12的四倍（参见图1），可以到达94 mK的最低制冷温度。因此该效应可被称为自旋超固态巨磁卡效应。研究发现，在自旋超固态相中，Na2BaCo(PO4)2由于强烈的量子自旋涨落可以维持在很低的制冷温度，这与其他自旋有序物质形成了鲜明对比。这些特性使钴基三角晶格材料成为亚开温区具有重要应用前景的无液氦极低温制冷量子材料。
图1.自旋超固态巨磁卡效应。与传统的顺磁盐材料相比，自旋超固态磁体的绝热去磁致冷曲线展现出不同的特征，退磁过程具有更高的降温速率。左上角的插图显示了钴基三角晶格与自旋超固态自旋结构。(右) 将Na2BaCo(PO4)2与其他材料的格林奈森参数进行比较，发现自旋超固态材料具有显著的磁致冷峰值（达商用材料Gd3Ga5O12的四倍以上），显示存在亚开温区的巨磁卡效应。
无液氦极低温制冷
磁卡效应是指磁性材料在磁场作用下产生显著温度变化的现象。利用一类特殊磁性物质水合顺磁盐的磁卡效应，诺贝尔奖获得者Giauque等人通过绝热去磁首次实现了显著低于1开尔文的极低温。水合顺磁盐中磁性离子分布稀疏，具有很弱的自旋-自旋耦合和极低的居里温度，虽然可以实现极低温，但具有磁熵变密度小、稳定性差、热导低等缺点，成为绝热去磁制冷技术的发展瓶颈。
该项研究发现的自旋超固态巨磁卡效应，为绝热去磁制冷技术提供了新的机理。在当前面临全球氦气资源供应短缺的情况下，绝热去磁制冷作为一种无需氦资源的冷却技术，在深空探测等应用中会变得越来越重要，这项技术也可为量子科技和物质科学等研究提供极低温制冷。
冰冻三尺非一日之寒
该项研究始于2021年，基于前期的理论研究，苏刚教授和李伟研究员向物理研究所的项俊森博士和孙培杰研究员提出了研究钴基阻挫三角晶格材料Na2BaCo(PO4)2低温物性的建议。此外，高度阻挫的量子磁体低温性质的计算，需要利用先进的量子多体计算方法。苏刚和李伟等人在这个方向上已经进行了10多年的研究，发展出一系列针对量子多体系统的高精度有限温度张量网络态方法，使得对于阻挫量子磁体的理论计算和实验结果的精确对比成为可能。
由于该材料的自旋相互作用能标较小（约为1开尔文），这给实验研究带来很大挑战。磁卡效应的实验测量可用于获取材料的低温熵，能够敏感地检测量子自旋态和相变。物理研究所孙培杰、项俊森研究团队克服极低温测量、漏热控制等技术难题，自主研制了高精度绝热温变测量器件，不断迭代改进测量技术，最终成功地观察到了自旋超固态巨磁卡效应。北航金文涛课题组提供了高质量单晶样品，并开展了低温中子衍射实验。由于材料中钴离子磁矩较小，并且测量需要在100 mK以下的低温条件下进行，实验也非常困难，经过多次尝试，最终获得了重要的自旋结构微观证据。理论团队和实验团队紧密配合，反复讨论研究细节，确定最优的技术路线，最终极低温物性和中子的实验测量结果与量子多体理论计算的结果非常吻合，有力地给出了自旋超固态存在的证据。
这项重要科学突破很好地体现了建制化科研的优势，来自中国科学院和高校等多个研究单位的理论和实验团队通力合作，协同攻关，通过基础研究的源头创新，导致了一项基于新机理的无液氦极低温制冷新技术。
科研人员调试极低温制冷平台
永乐高ylg888888苏刚教授介绍，比如我们把这次发现的材料放到磁场里面，保持热量不泄漏的情况下给它退磁，也就是把磁场去掉。慢慢地在降磁场的过程中，材料的温度就会慢慢地降下去，最后就降到了94毫开（零下273.056摄氏度）。据了解，极低温制冷是我国科研领域亟待攻克的关键核心技术之一。这次基础研究的突破是国际上在实际固体材料中首次给出超固态存在的实验证据。科研团队未来的工作目标是继续突破极低温的极限，并在未来建成无液氦极低温制冷机。极低温制冷机可以为例如超导量子计算机提供接近绝对零度的极低温运行环境，并且在凝聚态物理、材料科学、深空探测等前沿技术领域广泛应用。
审稿人评价该成果“报道了超低温下对一种复杂化合物的高质量实验”“理论与实验的符合极好地支持了该工作的核心结论”“漂亮的工作展示了自旋超固态的熵效应有多大，会引发广泛的研究兴趣”，“是一篇很好的论文，涉及凝聚态物理中有趣和前沿的问题”，Nature高级编辑也评价该成果“之所以引人注目，在于其报道了单晶阻挫磁体中超固态的证据和可用于亚开温区制冷的源于基本物理发现的磁热效应，并在一篇论文中报道了两项进展”。
北京时间1月11日，该项研究成果以为“Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2”题发表于Nature。苏刚教授、孙培杰研究员、李伟研究员、金文涛副教授是该论文的共同通讯作者；物理所项俊森博士、北航博士生张传迪、北航-理论物理所彭桓武中心博士生高源是该项工作的共同第一作者。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06885-w
媒体报道：
【央视新闻】我国科学家实现无液氦极低温制冷基础研究突破
【中国青年报】我国科学家实现无液氦低温制冷基础研究突破
【中国科学报】突破传统，“新式”制冷 迎来“曙光”
国科大两名青年教师在北京市第十三届青年教师教学基本功比赛中喜获佳绩
2023年9月至11月，北京市委教育工委、市教委、市教育工会和教育部全国高校教师网络培训中心联合举办了北京高校第十三届青年教师教学基本功比赛（以下简称“北京市青教赛”），我校作为特邀学校参赛。近日，比赛结果正式公布，我校人居科学学院牛锡桐老师和永乐高ylg888888钱文斌老师表现出色，分别获得文科类和理科类三等奖，为我校首次在北京市青教赛舞台上带来佳绩！
青教赛比赛现场图（左一为牛锡桐，右一为钱文斌）
牛锡桐老师在比赛中讲授《舞蹈鉴赏与体验》课程中“敦煌壁画舞蹈鉴赏”一节。牛老师毕业于北京舞蹈学院，曾担任庆祝中华人民共和国成立70周年联欢活动编导和庆祝中国共产党成立100周年《伟大征程》执行导演，拥有专业的舞蹈理论知识，丰富的舞蹈教学经验。本次参赛她以理论结合实践的教学方式，将抽象的艺术概念进行深入浅出的讲解，使敦煌壁画中的舞蹈形象生动地展现出来，让学生在轻松愉悦的氛围中掌握知识，在培养学生的审美能力和艺术鉴赏力的同时，拓宽文化视野，加深对中国传统文化的理解和认同。
牛锡桐老师比赛现场图
钱文斌老师在比赛中讲授了《原子物理学》中的“塞曼效应”一节。作为本科生授课教师，他具有丰富且扎实的物理学理论基础，注重将理论和实践相结合，课堂讲授采用“是什么”、“为什么”、“如何做”的层次结构，从现象到问题逐步深入，最后总结归纳，符合学生认知规律。他运用讲授法和文献指导法介绍概念，学生能更好地理解专业知识，运用理论解释实验规律，这也培养了学生对科学研究的兴趣，让学生感受到学习的乐趣和意义，同时也提高了学生的自主学习能力和创新意识。
钱文斌老师比赛现场图
在本次比赛中，两位教师克服经验不足的困难，精心完成赛会要求的教案、PPT以及现场展示。比赛期间，相关院系也积极组织了观摩。最终，他们凭借着出色的表现和扎实的功底，获得了优异成绩。这一成绩的取得不仅是对他们教学工作的肯定和认可，更是对他们教学理念和教学方法的肯定和推广。
对于获奖，牛老师和钱老师非常高兴。他们均表示，这一成绩的取得离不开学校和学院的支持和培养，他们将以此为契机，继续努力提高自己的教学水平和综合素质，为培养更多优秀的人才贡献自己的力量。
教育大计，教师为本。强教先强师，自首届校级青年教师教学基本功比赛启动后，学校为青年教师搭建了教学展示平台，今后将继续以校级青教赛为抓手，不断重视青年教师教学基本功水平的锤炼和提升，不断完善和创新教师教学能力提升的方法，以赛促教、以赛促学、以赛促改、以赛促建，拓宽青年教师成长渠道，助力青年教师“破茧成蝶”。
值此建校45周年之际，学校在以科教融合为特色的高等教育事业中不断开拓创新。青年教师要充分抓住时代与学校赋予的机遇，将个人发展融入学校大局,为学校贡献青春和智慧，奋力谱写教育教学发展的新篇章！
[赛事介绍]
据悉，北京青教赛创办于1995年，由中共北京市委教育工委、北京市教委、北京市教育工会和教育部全国高校教师网络培训中心联合主办。在实践和探索中逐步建立了体系完善、行之有效的选拔、比赛、奖励机制，由单一的课堂教学竞赛，发展成为内涵丰富、层次完整、特色鲜明、参与广泛的高校青年教师职业发展助推体系。参赛教师需准备5节课，赛前一天抽签决定上课内容，经教学设计、教学展示、教学反思三个环节，决出奖项。
物理学院田雨教授与合作者在黑洞热力学研究方面取得新进展
近日，国科大物理学院田雨教授与河北大学肖勇副教授和兰州大学刘玉孝教授合作，在黑洞的拓展热力学方面取得重要研究进展。相关工作以“Extended black hole thermodynamics from extended Iyer-Wald formalism”为题发表在物理学顶级期刊Physical Review Letters上。
黑洞热力学是当前量子引力研究的前沿课题，黑洞的熵和温度等特性揭示了时空和引力、量子力学、统计物理等基础物理领域之间的深刻联系。对于黑洞热力学的研究，激发了最近二三十年量子引力方面的很多突破性的新思想和新方法，包括全息原理、纠缠和量子时空等，极大增进了对于时空和引力本质的认识。
近年来，黑洞热力学最重要的发展之一是拓展的黑洞热力学(extended black hole thermodynamics)，其将引力作用量中的宇宙学常数和其它耦合参数也作为额外的热力学变量；这种拓展热力学形式具有丰富的物理内涵和应用。然而，在早期文献中，拓展的热力学第一定律总是被作为先验的假设使用，然后再在此基础上导出热力学体积等共轭量。于是，随之而来的问题是：拓展热力学是一种人为的设定，还是植根于引力理论本身？是否存在一个基本的理论框架，能自然地导出拓展的黑洞热力学？
田雨教授与合作者的研究解决了这个长期存在且受到广泛关注的问题。研究发现，对Iyer-Wald形式化方法进行适当的拓展，就可以自然地导出拓展的黑洞热力学。该研究不仅揭示了拓展黑洞热力学的底层理论结构，还进一步提供了一种新颖和系统的方法来计算拓展黑洞热力学中耦合参数的共轭热力学量。
Physical Review Letters（物理评论快报，简称PRL）是美国物理学会主办的物理学顶级学术期刊，主要发表原创性强、极为重要的物理研究成果。
该工作得到了河北省自然科学基金和国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.021401
