超固态是一类在极低温时涌现的新奇量子物态，同时具有固体的晶格有序与超流体的无耗散输运特性。早在半个世纪前，俄罗斯科学家 A.F. Andreev 和 I.M. Lifshitz 以及英国诺贝尔物理学奖得主 A. Leggett 就分别提出了超固态的概念，并指出利用转动惯量的非经典行为可以探测这一新奇的宏观量子现象 [1]。经过多年努力，人们在固体氦-4中寻找超固态的努力至今未成功，而固体材料中是否存在超固态也成为备受关注的重大科学问题（Is superfluidity possible in a solid? [2]）。最近，人们在三角晶格阻挫量子磁体中,利用极低温中子散射等微观谱学技术和磁热测量，结合高精度有限温度计算，首次在磁性固体材料中发现了超固态，实现了超固态的量子磁性对应——自旋超固态。但是，如何直接探测自旋超固态的超流动性，以观察其宏观量子输运性质，仍是悬而未决的重要问题 [3]。

近期，中国科学院理论物理研究所李伟研究员团队与合作者围绕这一问题取得了理论突破。他们创新地利用有限温度张量网络方法，首次研究了三角晶格反铁磁海森堡模型的自旋塞贝克效应，预言其中存在随温度下降不“衰减”的负向超自旋流。这一理论发现为实验上直接探测量子自旋超固态的关键输运特征提供了清晰可行的方案。该研究成果近日刊发于《物理评论快报》。

自旋塞贝克效应指的是由温度梯度驱动产生纵向自旋流的现象。实验设置见图1b中左下插图，由量子磁体和重金属（如Pt）组成异质结。通过在异质结两端施加温度梯度，可在量子磁体中诱导出纯自旋流。该自旋流穿过界面注入相邻金属层，并基于逆自旋霍尔效应转化为横向电压。因此，可通过测量金属层两端的横向电势差来探测自旋流信号。作为直接探测新奇磁激发输运性质的有力探针，自旋塞贝克效应近来在量子磁性领域引发了浓厚的研究兴趣。

在理论方面，为研究阻挫量子磁性体系中的自旋塞贝克效应，需要精确计算有限温度下的自旋动力学，具有很大的挑战性。为解决这一问题，团队提出了一种基于虚时间近似（imaginary-time approximation）的张量网络算法 [4,5]，可以精确高效地计算低温下阻挫磁体的自旋塞贝克效应。基于这一方法，团队研究了三角晶格易轴反铁磁海森堡模型，利用自旋流计算结果得到系统的磁场-温度相图（图1a），并预言了自旋超固态的自旋输运性质，为其实验探测提供了可行方案。

1970年A. Leggett从理论上提出利用转动惯量的非经典行为来探测氦-4固体中可能出现的超固相：他指出，随着温度下降，如系统进入超固相，自由能中会出现一项等效为负的非经典贡献，使得系统整体的表观转动惯量在转变温度出现下降的特征行为。因此，从固体转动惯量测量中观察其非经典行为，就可判断超固相的出现 [1]。与此类似，在自旋超固态的探测中，温度梯度在系统中诱导出自旋流，并在自旋固态序形成的特征温度附近呈现出自旋流峰值。随着温度持续下降，这部分“经典”贡献会逐渐衰减至零；当进入自旋超固相时，会产生一个由自旋超流分量贡献、方向相反的自旋流，可视为非经典贡献。由于“超流部分”与“经典部分”贡献的自旋流符号相反，总自旋流会发生方向反转，并在低温极限下收敛到一个饱和值（图1b）。自旋流符号反转及其非零极限，正是自旋超固态的宏观量子自旋输运特性，为其实验直接探测提供了可行的路径。

该研究是建立在团队与合作者此前取得的一项重大突破之上的。2024年1月，在钴基三角晶格阻挫磁体中，他们成功预言了自旋超固态在三角晶格量子磁体中的存在，并利用其巨磁卡效应实现了无氦-3极低温制冷，获得94毫开尔文的极低温 [6,7,8]。本工作创新发展张量网络方法，从一个新的角度——自旋塞贝克效应——揭示了自旋超固态的另一核心宏观量子输运特性，为实验探测提供了明确理论方案。同时，以自旋超固态为代表的阻挫磁体，有着独特的低能磁激发，是构建极低温区高效热-磁-电能量转换的理想平台。通过研究其自旋塞贝克及帕尔贴等多体效应，揭示基于新奇量子物态的能量转换新机理，进而为自旋热电子学开辟出低温研究新方向。

该研究近期以“Spin Seebeck Effect of Triangular Lattice Spin Supersolid”为题发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 135,236504 (2025)），理论物理所李伟研究员为论文通讯作者，博士生高源为第一作者（理论物理所-北航联合培养）。这项成果的取得也受益于国际合作，是与日本理化学研究所的Sadamichi Maekawa 教授和黄逸轩博士合作完成的。作者对理论物理所苏刚研究员在课题研究中给予的深入讨论和帮助致以诚挚谢意。本研究由中国科学院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员会的相关项目资助。