极低温制冷技术在量子计算和空间探测等高技术领域以及基础物理研究领域均起到了不可替代的重要作用。目前，极低温制冷技术主要有³He吸附制冷、³He/⁴He 稀释制冷和绝热退磁制冷。早在1933年，美国加州大学伯克利分校William F. Giauque教授就利用顺磁性盐的绝热退磁效应创造了当时的极低温记录，即0.25 K，因此获得了1949年诺贝尔化学奖。当前，全球范围内³He资源的极具短缺为极低温磁制冷技术的发展带来全新的机遇。

虽然以镓酸钆石榴石晶体Gd₃Ga₅O₁₂（GGG）为代表的一系列极低温磁制冷材料均已实现应用，但是其反铁磁基态的物理本质决定了必须依赖超导磁体产生的高磁场。超导磁体体积大且磁屏蔽系统极为复杂，为空间应用带来了诸多挑战。针对该问题，磁性与热功能材料研究部的科研人员一直致力于研制超低磁场驱动的磁制冷新材料。前期研究发现了4 K温区的铁磁性LiHoF₄晶体，5 kOe磁场下磁熵变高达 16.7 J kg^-1K^-1 （NPG Asia Mater. 15,41 (2023)）。在此基础上，近期发现了极低温温区铁磁性NH₄GdF₄，其各项性能大幅超越GGG，为紧凑型、轻量化极低温磁制冷系统研发奠定了材料基础，相关成果发表于J. Am. Chem. Soc. 2025,147,38,34862–34868。论文第一作者为博士后国庆，通讯作者分别为李昺研究员和中国科学院物理研究所项俊森副研究员。

NH₄GdF₄在 T_c = 0.85 K发生铁磁性转变，铁磁态具有大磁矩和低磁晶各向异性，小磁场下可磁化饱和。由于该铁磁性特征，磁场变化为 0 - 20 和 0 - 10 kOe时，最大磁熵变-ΔS_m，max分别为 51.6 和 38.2 J·kg^-1·K^-1，约为 GGG 的 2.5 倍和 9 倍（图1a）。初始温度为1.8 K时，10 kOe 磁场下准绝热退磁可降温至0.71 K，远优于GGG可到达的1.3 K（图1b）。初始温度为4 K（约为液氦温度）时，20 kOe磁场绝热退磁降温至 0.79 K（图1c），进入了极低温温区；而该条件下GGG的仅可降温至1.5 K。上述结果表明NH₄GdF₄不仅可取代GGG成为极低温温区磁制冷的新材料，由此大幅降低制冷系统的体积和重量；而且也预示着铁磁性材料是一条行之有效的极低温磁制冷技术路线。

本项工作得到了国家自然科学基金（52425107），国家重点研发计划（2021YFB3501201）、中国科学院战略先导科技专项（XDB1270000）和中国科学院前沿科学重点研究计划“从0到1”项目（ZDBS-LY-JSC002）的资助，也得到了SPring-8（2024B1606）大科学装置机时支持。

图 1. NH₄GdF₄ 的极低温磁制冷性能。（a）磁熵变 -ΔS_m曲线；（b）NH₄GdF₄ 和 GGG 在 10 kOe磁场下从不同初始温度（1.8、4.0和6.0 K）的准绝热退磁冷却曲线；（c）NH₄GdF₄ 和 GGG 在20 kOe磁场从不同初始温度（1.8、4.0和6.0 K）的准绝热退磁冷却曲线。

AI读进展：新突破！一种新型“磁冰箱”材料，助力量子计算机“冷静”工作

想象一下，为未来的量子计算机或深空探测器制造一台更小巧、更轻便的“超级冰箱”。最近，中国科学家在这一领域取得了关键进展，他们发现了一种新型磁性材料，有望让这种“冰箱”的性能大幅提升，同时体积和重量显著减小。

为什么需要“极低温冰箱”？

在量子计算、卫星探测和基础物理研究等前沿领域，许多设备需要在接近“绝对零度”（-273.15℃）的极低温度下工作。在这个温度下，原子几乎停止运动，量子特性才能稳定显现，超灵敏的探测器才能正常工作。

这就好比要给一个高速运转、极其精密的CPU创造一个绝对“安静”的环境，它才能不出错。目前，创造这种极低温环境的技术非常复杂，其中一种重要的方法叫做 “磁制冷”。

什么是“磁制冷”？

您可以把它想象成一块特殊的“磁性海绵”：

• 加磁场（充磁）：当施加一个外部磁场时，这块“海绵”内部的磁针会整齐排列，这个过程会发热。我们通过外部冷却系统（比如液氦）把这些热量带走。
• 撤磁场（退磁）：当外部磁场撤掉后，“海绵”内部的磁针会变得杂乱无章，这个过程需要吸收热量，从而使其自身及周围环境的温度迅速降低。

这就是磁制冷的基本原理。早在1933年，科学家就利用这个原理创造了当时的低温纪录，并获得了诺贝尔奖。

现有技术的瓶颈：笨重的“超导磁铁”

目前，广泛使用的磁制冷材料（如GGG晶体）有一个天生的缺点：它们的磁性本质是“对抗性”的（学术上称为“反铁磁性”）。要想让它们有效制冷，必须使用超导磁体来产生非常强大的磁场。

超导磁体虽然强大，但体积庞大，而且需要复杂的屏蔽系统，非常笨重。这对于需要“斤斤计较”重量的太空应用（如空间望远镜、量子通信卫星）来说，是一个巨大的挑战。

中国科学家的新发现：更“听话”的铁磁性材料

针对这个难题，中国科学院金属研究所的科研团队另辟蹊径，成功发现了一种新型材料——铁磁性NH4GdF4。

这种材料的最大特点是其内部磁性是“合作性”的（铁磁性），就像一队训练有素的士兵，非常“听话”。

• 更易驱动：它不需要很强的磁场，一个相对较弱的磁场就能让其磁性达到饱和状态。这意味着，未来可能不再需要笨重的超导磁体，用更小巧、更简单的磁体就能驱动。
• 制冷效率倍增：实验数据令人振奋：
• 在相同磁场下，新材料的制冷效率（磁熵变） 达到了传统GGG材料的2.5倍到9倍。
• 在模拟实验中，新材料能将温度从液氦温度（4K，约-269℃）降至0.79K，而传统材料只能降到1.5K。别小看这不到1度的差距，在极低温世界，这是巨大的性能飞跃。

这意味着什么？

这项研究成果发表在权威期刊《美国化学会志》上，它预示着：

• 更紧凑的极低温系统：未来，为量子计算机、卫星载荷提供制冷的设备可以做得更小、更轻，这对于太空探索和量子技术的实用化至关重要。
• 一条新的技术路线：它证明了铁磁性材料是研发下一代极低温磁制冷技术的有效途径，为全球科学家打开了新的思路。

总而言之，这项发现就像是为极低温制冷领域找到了一种性能更强的“核心耗材”，让我们在建造下一代高科技“冰箱”的道路上迈出了坚实的一步，为未来许多尖端技术的发展奠定了重要的材料基础。

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