科研人员发现新型极低温磁制冷材料

近日，中国科学院金属研究所研究员李昺、中国科学院物理研究所副研究员项俊森等合作，发现了一种新型极低温磁制冷材料——铁磁性NH4GdF4。该研究成果表明，铁磁性材料是推进极低温磁制冷技术的一条可行路线。相关论文发表于《美国化学会志》。

极低温制冷技术在量子计算、空间探测等高技术领域以及基础物理研究领域均起到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。当前，全球范围内3He资源的严重短缺为极低温磁制冷技术的发展带来新机遇。尽管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，但其反铁磁基态的物理本质决定了它们必须依赖超导磁体产生的高磁场。而超导磁体体积大且磁屏蔽系统极为复杂，为空间应用带来诸多挑战。

针对上述问题，科研人员一直致力于研制超低磁场驱动的磁制冷新材料。在前期研究中，团队发现了在4K温区具有优异性能的铁磁性LiHoF4晶体，其在5kOe磁场下磁熵变高达16.7 J kg-1K-1。在此基础上，团队进一步发现了在极低温温区具有铁磁性的NH4GdF4 材料，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。NH4GdF4在 Tc=0.85K时发生铁磁性转变，其铁磁态具有大磁矩和低磁晶各向异性，可在小磁场下实现磁化饱和。

研究表明，NH4GdF4有望取代GGG成为极低温温区磁制冷的新材料，并能够大幅减少制冷系统的体积和重量。