极低温制冷是获取一个开尔文以下的低温环境并提供一定冷量的先进技术，是众多基础和前沿科学探索的关键。在量子物理、凝聚态物理、高能物理等诸多领域中，人们在极低温条件下揭示了新的物理现象和规律，包括超导、超流、量子霍尔效应，宇称不守恒实验等。同时，极低温制冷也是量子科技，深空探测，物质科学，精密测量等重要领域的关键技术。绝热去磁致冷，通过磁场调控顺磁材料中近乎自由的磁矩，可获得亚开尔文温区的低温。但作为工质的顺磁材料主要是水合物盐类，存在固有的局限性，如磁性离子密度低、热导率不足、化学稳定性较差等。为克服这些限制并推进低温固态制冷技术的发展，亟需从源头开展理论创新。
有效调控新奇量子物态中的集体激发及其磁卡效应(magnetocaloric effect)，是极低温固态制冷的有效新途径。最近，中国科学院理论物理研究所李伟研究员与合作者对Kitaev六角晶格自旋液体模型开展理论研究，提出通过外场有效调控自旋液体态中的自旋子与规范场激发等，例如拓扑Z2涡旋激发(vison)。利用这些激发所携带的巨大低温熵，可以实现一种全新的磁卡效应机制——自旋液体拓扑激发致冷。
采用自主发展的先进有限温度张量重正化群方法，研究团队计算了Kitaev六角晶格自旋液体模型的低温性质。对于铁磁Kitaev情况，通过自旋分数化产生了近乎自由的Z2涡旋。在一定温区内，系统磁性可以用修正居里常数的顺磁状态方程来描述。因此，与顺磁体系绝热去磁类似，Z2涡旋的熵也可以通过磁场有效调控。从整齐排列的自旋极化相进入涨落的自旋液体相，由于Z2拓扑激发携带体系一半的磁熵，可以从环境中带走大量的热量，产生强烈的致冷效应(图1)。
对于反铁磁Kitaev情况，热张量网络计算结果支持中间磁场相为一无能隙的U(1) 量子自旋液体相，具有自旋子费米面和演生U(1)规范场，同样展现出巨大低温熵和显著致冷效应。与传统绝热去磁致冷不同，在自旋液体拓扑致冷机制中，携带磁熵的不是孤立的自旋，而是自旋子与规范场激发等集体激发。
图 1. Kitaev六角晶格磁体的拓扑激发致冷示意图。在高温顺磁相中， ，其中 为居里常数；在中间温度分数液体相中，研究团队发现 ，其中 为修正居里常数。拓扑激发携带体系一半的磁熵，其激增将带来显著的致冷效应。
在实际Kitaev候选材料中，除了Kitaev相互作用，还存在海森堡耦合等非Kitaev项。因此，研究团队进一步针对扩展Kitaev模型开展了多体计算，讨论实际材料中拓扑激发致冷机制的稳定性。结果表明，由于自旋分数化和拓扑激发存在于一定的能量/温度范围，该致冷机制具有鲁棒性。Kitaev阻挫磁性材料不仅在拓扑量子计算方面，而且在无液氦极低温制冷领域也有重要研究价值。
阻挫量子磁性材料中的新奇物态，通常呈现出高度纠缠与强烈涨落的特性。这带来了新颖的低温热物性，使得在远低于相互作用能量尺度的低温条件下，甚至直至零温，体系并不形成磁有序状态。研究团队通过Kitaev自旋液体系统的磁场-温度性质研究，指出丰富的低能集体激发携带着巨大的磁熵(图2)。有效调控阻挫量子磁性材料中的集体激发，可以产生新型磁卡效应，为探索低温固态制冷开辟了新的途径。
图2. 通过外场调控量子材料进入具有显著自旋涨落的新奇物态，能够引发包括拓扑激发等在内的大量集体激发，并从周围环境中吸收热量，从而产生新型磁卡效应(magnetocaloric effect)。
该工作最近发表于《自然·通讯》[Nature Commun. 15, 7011 (2024)]，中国科学院理论物理研究所李伟研究员与中国科学院大学苏刚教授是论文的共同通讯作者，中国科学院大学卡弗里理论科学研究所博士后李涵是论文第一作者，其他合作者包括复旦大学戚扬教授，中国科学院理论物理研究所博士生吕恩泽、助理研究员西宁，以及北京航空航天大学物理学院博士生高源。该工作得到了国家自然科学基金委优青项目、人社部博士后创新人才支持计划、中国科学院基础研究领域稳定支持青年团队“基于新原理的无液氦极低温制冷”项目等资助。
