近期，中国科学院大学苏刚教授团队与合作者利用自己发展的精确高效有限温度张量重正化群方法，完整给出了Shastry-Sutherland晶格量子磁性模型的压力-温度相图，发现该相图与水的相图极为相似，同时发现在临界点上方的超临界区存在一种新奇的量子关联诱导的致冷机制，命名为超临界磁压热效应（magnetic barocaloric effect）。该效应给出了一种无液氦极低温制冷的新原理。这项工作最近发表在《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 131, 116702 (2023)】。

阻挫量子磁体在极低温有显著的量子涨落，可能涌现出超越朗道-金兹堡-威尔逊对称破缺范式的新奇物态和相变，如具有分数化激发的量子自旋液体和解禁闭的量子临界点等。由于阻挫量子磁体在极低温呈现出新颖热物性、存在高度可调的巨大磁熵密度，在远低于相互作用能标的低温，系统仍然存在很强的自旋涨落，是国际上备受关注的重要研究方向。

最近，多个实验组在阻挫磁体SrCu₂(BO₃)₂晶体的高压热力学研究方面取得进展。研究发现了方块聚合自旋单态（plaquette singlet state）存在的比热证据，揭示了该磁性材料相图与水相图的相似之处，即二者均存在一级相变；终止于一个涌现的孤立临界点；在高压下施加磁场的低温核磁共振测量提供了存在邻近解禁闭量子临界点的实验证据等。

实验研究的快速进展，迫切需要理论的支撑和指导。然而，由于高度阻挫和强量子涨落的特点，对该体系开展精确可控的多体理论研究比较困难，特别是有限温度性质的计算还比较缺乏。苏刚联合研究团队利用自己发展的精确高效有限温度张量重正化群方法，系统给出了与该材料相关的Shastry-Sutherland阻挫晶格模型的温度-压力相图，发现在低于系统能标两个数量级的低温下，存在对称破缺的方块聚合自旋单态固体相，首次在理论上得到其对应的有限温度相变线及其临界终点。在方块自旋单态上继续施加外磁场，发现系统存在从方块单态到自旋超固态的量子相变，并给出了实验可观测的中子散射和磁热效应等理论预言。这些理论结果印证了最近针对SrCu₂(BO₃)₂晶体材料取得的实验进展。他们同时发现，在该系统的涌现临界点上方超临界区，存在着由量子关联变化，即从二聚合自旋单态 (dimer singlet)到方块聚合自旋单态液体 (plaquette liquid)，所引起的显著磁熵效应。与传统磁热效应中磁矩随外场变化产生有序-无序转变带来的磁熵变完全不同，这是一种新型的磁无序-无序转变的效应，被命名为超临界磁压热效应，为无液氦极低温固体制冷提供了一个新思路。

(a) Shastry-Sutherland 模型的压力-温度示意图。在其涌现临界点上方存在超临界磁压热效应。(b) Shastry-Sutherland 模型超临界区的等熵线，有望被应用于量子关联致冷。

这项工作是国科大苏刚教授、闫清波教授课题组与理论物理研究所李伟研究员课题组密切合作的成果，在王俊森（国科大-理论所联合博士后，第一作者），李涵（国科大卡弗里所博士后，共同一作），西宁（理论所博士后），高源（北航博士生）等作者的共同努力下完成，闫清波（国科大），李伟（理论所），苏刚（国科大）是论文的共同通讯作者。该工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委和中央高校基本科研项目等的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.116702

参考文献：

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