在多體物理研究中，量子漲落驅動的連續(xù)相變及其量子臨界點（QCP）是備受關注的重要主題。盡管QCP是零溫下的奇異點，但其影響卻可支配系統(tǒng)在有限溫度范圍內的行為。最近，理論物理所研究團隊在該領域取得重要進展：利用自主發(fā)展的熱態(tài)張量網絡方法研究量子Ising模型，發(fā)現當橫場與縱場共同作用時，QCP上方會展開一個"量子超臨界區(qū)"，并伴隨強烈發(fā)散的超臨界磁卡效應。該研究提供了一種量子相變普適增強制冷機制，為發(fā)展無氦-3極低溫固態(tài)制冷開辟了多場調控新路徑，相關成果發(fā)表于《自然·通訊》。

量子臨界點作為零溫下的奇異點，其影響可延伸至有限溫區(qū)域，形成由溫度（T）與橫場（g）定義的量子臨界區(qū)（圖1a,c），并主導該區(qū)域內系統(tǒng)的行為。在此基礎之上，引入橫場（g）與縱場（h）進行共同調控，發(fā)現當系統(tǒng)處于QCP（）時，在縱場（h）-溫度（T）平面內會形成一個由臨界點延伸出的量子超臨界區(qū)。二者雖同源于QCP，但遵循不同的有限溫標度律：量子臨界區(qū)遵循人們熟知的量子臨界標度律（圖1c），而量子超臨界區(qū)則遵循新發(fā)現的量子超臨界標度律（圖1b）。

圖1.a鐵磁伊辛磁體在溫度（T）、縱場（h）與橫場（g）下的相圖。橫場為零時，h-T平面上存在臨界點（CP）與經典超臨界區(qū)（SR）。溫度為零時，g-h平面上存在量子臨界點（QCP），在此基礎上縱場驅動量子超臨界區(qū)（QSR）。b量子超臨界區(qū)分隔兩個不同的有序相，紅色實線是量子超臨界過渡線。c橫場驅動量子臨界區(qū)（QCR），分隔有序相與量子無序相，藍色實線是量子臨界過渡線（其中）。QSR與QCR的過渡線滿足不同的普適標度律。

與經典相變制冷相比，量子超臨界區(qū)展現出了比經典超臨界區(qū)更為優(yōu)越的磁卡效應。橫場引入的量子漲落有效抑制了體系的有序溫度Tc，去除了制冷溫度下限的這一限制（圖1a）。而縱場則因QCP對其高度敏感性，可在小磁場條件下驅動顯著的溫變與熵變；該區(qū)域的格林艾森參數呈現出普適標度行為，其發(fā)散規(guī)律系統(tǒng)地超越經典相變制冷。因此，基于量子超臨界磁卡效應，可以突破傳統(tǒng)相變制冷中冷量與低溫難以兼得的內在限制，凸顯出量子相變制冷的獨特優(yōu)勢。

量子超臨界行為可在實際材料中觀測。計算表明，在伊辛鐵磁體中，通過施加橫場將系統(tǒng)調控至量子臨界點，隨后僅將磁場（或樣品）方向偏轉很小的角度（例如2°），即可利用量子超臨界磁卡效應實現從1.3 K至52 mK的冷卻。量子超臨界態(tài)的實現路徑還具有多樣性：除施加雙磁場外，亦可采用壓力場與磁場聯合調控，或利用摻雜所引入的“內場”與外磁場協同。在氦-3資源日益緊缺的當下，基于該效應的固態(tài)制冷方案，為無氦-3極低溫技術開辟了一條具備“量子優(yōu)越性”的多場調控全新路徑。

該研究近期以“Quantum supercritical regime with universal magnetocaloric scaling in Ising magnets”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Commun.16,10646 (2025)），理論物理所李偉研究員為論文通訊作者，博士生呂恩澤為第一作者。該項工作得益于理論所凝聚態(tài)理論與統(tǒng)計物理團隊的緊密協作，研究合作者包括理論所金瑜亮研究員與西寧博士，并得到蘇剛研究員等在學術討論中給予的寶貴幫助。工作獲得了中國科學院B類先導專項“無液氦極低溫量子材料固態(tài)制冷與關鍵技術”、國家重點研發(fā)計劃及國家自然科學基金委等相關項目的資助。