在多体物理研究中，量子涨落驱动的连续相变及其量子临界点（QCP）是备受关注的重要主题。尽管QCP是零温下的奇异点，但其影响却可支配系统在有限温度范围内的行为。最近，理论物理所研究团队在该领域取得重要进展：利用自主发展的热态张量网络方法研究量子Ising模型，发现当横场与纵场共同作用时，QCP上方会展开一个"量子超临界区"，并伴随强烈发散的超临界磁卡效应。该研究提供了一种量子相变普适增强制冷机制，为发展无氦-3极低温固态制冷开辟了多场调控新路径，相关成果发表于《自然·通讯》。

量子临界点作为零温下的奇异点，其影响可延伸至有限温区域，形成由温度（T）与横场（g）定义的量子临界区（图1a,c），并主导该区域内系统的行为。在此基础之上，引入横场（g）与纵场（h）进行共同调控，发现当系统处于QCP（）时，在纵场（h）-温度（T）平面内会形成一个由临界点延伸出的量子超临界区。二者虽同源于QCP，但遵循不同的有限温标度律：量子临界区遵循人们熟知的量子临界标度律（图1c），而量子超临界区则遵循新发现的量子超临界标度律（图1b）。

图1. a 铁磁伊辛磁体在温度（T）、纵场（h）与横场（g）下的相图。横场为零时，h-T平面上存在临界点（CP）与经典超临界区（SR）。温度为零时，g-h平面上存在量子临界点（QCP），在此基础上纵场驱动量子超临界区（QSR）。 b 量子超临界区分隔两个不同的有序相，红色实线是量子超临界过渡线。 c 横场驱动量子临界区（QCR），分隔有序相与量子无序相，蓝色实线是量子临界过渡线（其中）。QSR与QCR的过渡线满足不同的普适标度律。

与经典相变制冷相比，量子超临界区展现出了比经典超临界区更为优越的磁卡效应。横场引入的量子涨落有效抑制了体系的有序温度Tc，去除了制冷温度下限的这一限制（图1a）。而纵场则因QCP对其高度敏感性，可在小磁场条件下驱动显著的温变与熵变；该区域的格林艾森参数呈现出普适标度行为，其发散规律系统地超越经典相变制冷。因此，基于量子超临界磁卡效应，可以突破传统相变制冷中冷量与低温难以兼得的内在限制，凸显出量子相变制冷的独特优势。

量子超临界行为可在实际材料中观测。计算表明，在伊辛铁磁体中，通过施加横场将系统调控至量子临界点，随后仅将磁场（或样品）方向偏转很小的角度（例如 2°），即可利用量子超临界磁卡效应实现从 1.3 K 至 52 mK 的冷却。量子超临界态的实现路径还具有多样性：除施加双磁场外，亦可采用压力场与磁场联合调控，或利用掺杂所引入的“内场”与外磁场协同。在氦-3资源日益紧缺的当下，基于该效应的固态制冷方案，为无氦-3极低温技术开辟了一条具备“量子优越性”的多场调控全新路径。

该研究近期以“Quantum supercritical regime with universal magnetocaloric scaling in Ising magnets”为题发表于《自然·通讯》（Nature Commun. 16,10646 (2025)），理论物理所李伟研究员为论文通讯作者，博士生吕恩泽为第一作者。该项工作得益于理论所凝聚态理论与统计物理团队的紧密协作，研究合作者包括理论所金瑜亮研究员与西宁博士，并得到苏刚研究员等在学术讨论中给予的宝贵帮助。工作获得了中国科学院B类先导专项“无液氦极低温量子材料固态制冷与关键技术”、国家重点研发计划及国家自然科学基金委等相关项目的资助。