日前，中国科学院理论物理研究所、合肥物质科学研究院与上海交通大学等组成的联合科研团队在阻挫磁性与极低温制冷领域取得重大突破。联合团队在三维磁性合金中，首次揭示了金属自旋超固态的存在，并建立其电子媒介间接交换与磁偶极作用协同驱动新机制。该阻挫磁性合金在极低温下同时展现巨大磁卡效应和超高热导率，打破了极低温磁制冷材料领域长期存在的性能瓶颈。这项研究不仅提供了一种无需依赖稀缺资源氦-3的全新金属制冷方案，还有望为我国量子计算、精密测量等前沿科技提供自主可控的“超级冰箱”。相关成果于2026年2月11日发表国际学术期刊《自然》（Nature）[1]。

引言：量子材料固态制冷

极低温环境是量子计算、精密测量及大科学装置前沿研究必不可少的工作环境与关键支撑。当前，稀释制冷是目前提供极低温、大冷量制冷的主要技术。然而，氦-3属全球稀缺资源，且我国现阶段完全依赖进口，成为制约量子科技等相关前沿领域可持续发展的关键要素之一。因此，迫切需要发展不依赖氦-3的新型极低温固态制冷技术。

以绝热去磁制冷为代表的无氦-3固态制冷技术，其核心制冷材料普遍存在导热性能低的局限，导致制冷功率不足。传统磁制冷材料就像一个内里冰凉却无法快速导热的“木块”，需要结合金属复合结构来使用，增加了制冷模块的复杂度、降低了制冷量，导致制冷功率不足。而理想磁制冷材料在具备大冷量的同时，最好其自身就能像“金属块”一样迅速将冷量传递出去，这正是亟待突破的难点所在。

图1. 金属自旋超固态及其磁制冷示意图

近日，联合团队在无氦-3极低温量子材料固态制冷方面取得了原创性的突破，国际首次在磁性合金ECA中发现了金属自旋超固态及其巨磁卡效应（见图1）。金属自旋超固态融合了极低温下的巨大磁卡效应与金属的高热导率优势：基于该材料的绝热去磁制冷可实现100毫开尔文温区的极低温；同时，ECA合金在极低温下展现出非常优越的导热性能，在极低温区其热导率比传统磁制冷材料高出1至2个量级，在实际应用中可以大幅提升制冷功率。

从新奇量子物态到极限制冷新途径

这一突破并非孤立取得。在中国科学院青年团队与先导专项的支持下，自2022年起，理论物理研究所苏刚研究员、李伟研究员与合作者组建了覆盖理论、实验到极低温工程的全链条研究队伍，对该问题展开了集中攻关。在2024年，苏刚、李伟与合作者在一类具有三角晶格结构的阻挫磁性材料中，首次发现“自旋超固态”这一新奇量子物态，实现了基础物理与极限制冷机理研究的重大突破[2]，入选2024年度中国科学十大进展。作为超固态[3-5]在量子磁性体系中的对应，自旋超固态可被理解为材料中电子自旋（即磁性的微观来源）所呈现的一种特殊量子有序态：其自旋排列既破缺晶格平移对称性（类似固体晶格），又破坏自旋U(1)旋转对称性（类似超流体）。自旋超固态在极低温度下表现出独特的热力学性质和磁场调控特性，并产生巨大的磁卡效应，展现出优异的制冷能力。与传统顺磁盐材料依赖稀疏分布的弱相互作用磁性离子不同[6]，自旋超固态巨磁卡效应源于强烈的极低温自旋涨落，表现为高磁熵密度和低制冷温度。目前，国内外多个研究组已在不同的磁性绝缘材料中发现了自旋超固态，表明该宏观量子态是一种普适现象。

金属自旋超固态及其巨磁卡效应

当前磁制冷材料的关键瓶颈，不仅是追求更高制冷能力与更低温度，还在于如何高效导出冷量。理想的下一代固态制冷材料须兼具巨大磁熵变与高热导率，实现制冷与传热的双重突破。

图2. (a)ECA的晶格结构和相互作用，其中JR表示局域磁矩通过传导电子诱导的RKKY相互作用，提供面内自旋阻挫，JD是层间偶极相互作用，提供磁各向异性。(b) 局域磁矩形成自旋超固态，提供巨大熵变与制冷能力，传导电子提供热量的“高速通道”。

沿着这一思路，联合团队制备出阻挫磁性合金ECA，并成功生长出厘米级单晶样品。如图2a所示，材料由三角晶格堆叠而成，存在面内自旋阻挫现象，而层间偶极相互作用提供磁各向异性。通过系统的热力学、磁化行为和输运性质等高精度测量，与理论模型计算对照，揭示了一种新颖的磁性物态——金属自旋超固态。为提供自旋超固态的直接微观证据，联合团队开展中子衍射实验。在克服样品中子吸收等挑战性问题后，得到了高质量的中子衍射数据，发现材料在极低温下具有自旋超固序的直接证据（见图2b）。

针对此前自旋超固态理论模型主要囿于自旋-1/2海森堡模型、仅适用于绝缘量子磁性体系的局限，联合团队原创提出电子媒介Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)间接交换与磁偶极作用协同驱动的新机制，建立了RKKY-磁偶极理论模型，通过大尺度多体计算成功解释并指导实验。这一概念创新将自旋超固态的探索从传统绝缘体系拓展至高电导金属，从二维低自旋拓展至三维高自旋，构建了由电子媒介间接交换与磁偶极作用协同驱动的金属自旋超固态新机制。

图3. (a) ECA材料的绝热去磁制冷测量，在自旋超固态量子相变点附近实现106mK最低制冷温度。(b)ECA材料的热导具有巨大优势，相比于此前报道的磁制冷材料，其热导率提升了1–2个数量级。

联合团队进一步开展磁卡效应测量：基于该材料的绝热去磁制冷，最低温度可达106 mK，刷新了金属磁卡材料的低温纪录，表明其具备极强的本征磁卡制冷能力（图3a）；更难得的是，在100 mK极低温区内材料热导率高达约100 mW/(K·m)，较此前报道的磁卡材料高出1–2个数量级，从而成功破解了长期存在热导关键瓶颈（图3b）。由于ECA独特的“局域磁矩-传导电子”复合结构，其同时具备“高性能制冷”与“高效热传输”的双重优势：局域磁矩形成自旋超固态相，提供巨大磁熵变；而金属中的近自由电子则构成了高效的导热通道。

展望：金属固态制冷与极低温量子技术

该材料兼具优异性能与批量制备潜力，联合团队近日基于该合金材料，已成功研制出纯金属制冷模块，并积极推进其相关应用研究。这一突破标志着自旋超固态体系正式从基础研究迈向器件探索新阶段，同时也开辟了金属制冷的新体系与新方向。以金属自旋超固态材料为核心的新型高效制冷模块，有望为量子芯片、量子计量器件提供稳定便携的冷源，为高灵敏度单光子探测器提供轻量化极低温环境，并为空间探测重大科学工程提供自主可控的极低温解决方案。该成果为破解量子科技等领域对氦-3的依赖及固态制冷功率不足等瓶颈，提供了一项极具潜力的“中国方案”。

在中国科学院基础科学研究局的战略组织与推动下，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，集智攻关，依托稳态强磁场实验装置（合肥）、综合极端条件实验装置（怀柔）、上海光源以及英国散裂中子源、日本物质·生命科学实验设施等国内外大科学装置，通过基础研究源头创新驱动极低温制冷的颠覆性新技术发展。研究成果于2026年2月11日以“Giant magnetocaloric effect and spin supersolid in a metallic dipolar magnet”为标题发表在国际期刊Nature [1]，并已获中国发明专利授权[7]。Nature审稿人高度评价本工作中发现的金属自旋超固态材料“同时具备适用于100毫开尔文温区的绝热去磁制冷能力与优异的电导（及热导）性能，这一特性组合是独一无二的”；“除了实际应用潜力，该材料还被提出可作为自旋超固态的候选体系，为基础物理研究与技术应用领域均带来了引人注目的启示。”

中国科学院理论物理所的李伟研究员为论文共同通讯作者，助理研究员西宁为共同第一作者。其他共同通讯作者还包括中国科学院合肥物质院屈哲研究员、许锡童研究员，以及上海交大马杰教授；共同第一作者还包括合肥物质院/上海交大/中国计量大学舒明方，合肥物质院许锡童、何苗，以及物理所项俊森。论文合作者还包括中国科学院理论物理所苏刚研究员、合肥物质院杜海峰研究员、北京大学贾爽教授、物理所钱天研究员、兰州大学陈曦教授、浙江大学汪臻涛研究员、安徽大学宋东升教授、孙学峰教授、上海交大钟瑞丹副教授等。工作得到了“无液氦极低温量子材料固态制冷与关键技术”中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、国家重点研发计划大科学装置重点专项及物态调控专项、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队、依托重大科技基础设施的建制化平台项目、国家自然科学基金、安徽省重大科技专项、安徽省基金等项目的支持。