隨著氦氣資源的日益短缺以及低溫製冷在空間應用、量子技術和前沿科學研究中的廣泛應用，低溫製冷技術的重要性不斷增強。絕熱去磁製冷技術（Adiabatic Demagnetization Refrigeration，ADR）基於材料的磁熱效應（Magnetocaloric effect，MCE），提供了無需使用稀缺3He、4He達到亞開爾文溫區的有效解決方案。其中，材料的磁熵變（ΔSM）是驅動ADR的關鍵因素。為使材料的磁熵變更接近理論值Δ S M=nRln(2 J+1)/M W，除了選擇具有較大 J值的稀土離子外，原子配位環境對磁密度、磁耦合和晶體場效應起著關鍵作用，從而顯著影響磁基態和實際磁熵變值-Δ S M。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M03組胡鳳霞研究員、王晶副研究員、沈保根院士及博士生王冰潔，聯合物理所HX-01i組孫培傑研究員、項俊森副研究員及博士生劉鑫陽，物理所T02組王建濤研究員等合作者，透過調控磁密度和Eu2+離子的單離子行為，在EuX2（X = Cl，Br）體系中實現了創紀錄的巨大超低溫磁熱效應。具有鐵磁基態的EuCl2因其Eu2+離子的單離子行為和近自由自旋特性，表現出的巨大磁熵變使其在亞開爾文溫區（約346mK）的保溫時間超越了此前報道材料（包括商用材料）。
圖：EuCl2材料的磁熱效應與準絕熱去磁測量得到的保溫時間曲線，以及與其他低溫磁製冷材料（包括商用材料）的對比
研究團隊利用 ab initio計算對EuCl 2材料的電子局域函式（ELF）和態密度（DOS）進行分析，並結合布里淵函式分析和磁性測量，確定了EuCl2的鐵磁基態，以及Eu2+ 離子的單離子行為和近自由自旋特性。這種單離子行為和近自由自旋的特性有助於材料產生巨大磁熱效應。實驗結果顯示，EuCl 2在5T磁場（1.8K）下實現了創紀錄的-ΔSM ~ 74.6Jkg-1K-1，接近其理論極限（77.5Jkg-1K-1）的96%。與其他已報道的Gd 3+和Eu 2+基低溫磁熱材料相比（見圖），儘管EuCl 2的理論磁熵變值並非最高，但其在5T下的實驗-Δ S M值超過了目前所有報道材料，且更接近其理論-Δ S M。更重要的是，由於EuCl2中Eu²⁺ 離子的近似自由自旋特性及其易飽和性，在1T低場下，EuCl2也達到了最高紀錄的-ΔSM ~ 36.8 Jkg-1K-1，超越了所有其他材料，尤其顯著高於商業低溫製冷劑Gd3Ga5O12（GGG）。1T磁場下EuCl 2的熵變接近GGG在2T下熵變（-Δ S M (2T) ~ 21Jkg -1K -1）的 2倍。此外，得益於EuCl 2的大磁熵變，準絕熱去磁測量發現，在初始溫度和磁場為2K和5T下，EuCl 2材料絕熱去磁可達到~346mK，並在此溫度下能夠實現長時間保溫。初步測量表明，EuCl 2材料在不同初始條件下的保溫時間均超過一小時，顯著優於在相同工作條件下的其他（包括商用）材料（見圖）。
相關研究成果以“A Record-High Cryogenic Magnetocaloric Effect Discovered in EuCl2 Compound”為題發表在Journal of the American Chemical Society [J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 35016−35022]上。並已申請發明專利（專利號：202411518651X）。該工作受到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃和中國科學院戰略性先導科技專項和綜合極端條件實驗裝置的支援。
編輯：餘蔭鎧
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