新型磁性材料助力极低温制冷，推动深空探测器轻量化发展
在量子计算、空间探测和基础物理研究等领域，极低温环境是实现设备高性能运行的关键条件。中国科学家近期取得一项突破，发现了一种具备铁磁性的新型材料，为未来的极低温制冷系统提供了更高效、更轻便的解决方案。
这种材料有望为下一代量子计算机或深空探测器打造更紧凑的“超级冰箱”，大幅减少设备的体积与重量。
为何需要极低温环境？
在量子计算、卫星探测和基础物理实验中，许多精密设备必须在接近绝对零度（-273.15℃）的条件下运行。在这一温度下，原子运动几乎完全停止，量子行为才能稳定呈现，高灵敏度探测器也才能正常工作。
这种环境的实现方式之一，是采用磁制冷技术。它通过控制材料内部磁性排列的变化来实现温度调节。
磁制冷原理简析
磁制冷过程可以类比为一块特殊的“磁性海绵”：
- 充磁阶段：施加外部磁场后，材料内部磁矩趋于有序排列，同时释放热量，需通过冷却系统将热量排出。
- 退磁阶段：移除外加磁场，磁矩重新无序排列，吸收热量，从而降低环境温度。
该技术早在1933年就已被应用于低温研究，并因此获得诺贝尔奖。
现有技术面临的关键挑战
目前主流的磁制冷材料，如GGG晶体，属于反铁磁性材料，其磁性排列具有天然的对抗性，需要依赖超导磁体以产生强磁场。
超导磁体虽然制冷能力强大，但体积庞大、结构复杂，且需要额外的屏蔽系统，不适合用于对重量高度敏感的太空任务，如空间望远镜或量子通信卫星。
中国团队突破：铁磁性材料的新可能
为解决上述问题，中国科学院金属研究所的研究人员开发出一种全新的材料——铁磁性NH4GdF4。
该材料具有“合作性”铁磁性，类似于一支高度协同的部队，具备更强的响应性和稳定性。
- 易于控制：相较于传统材料，它对磁场的响应更为灵敏，即使在较弱磁场下也能达到磁饱和，意味着未来可能不再需要庞大的超导磁体。
- 制冷效率显著提升：实验数据显示：
- 在相同磁场条件下，该材料的磁熵变（制冷能力指标）达到GGG晶体的2.5至9倍。
- 在模拟实验中，其降温能力从4K（约-269℃）降至0.79K，远优于传统材料的1.5K。这一微小温度差异在极低温世界中具有重大意义。
新发现的意义与前景
这项研究为下一代极低温制冷系统的发展提供了重要支撑，具体体现在：
- 系统小型化趋势：制冷设备有望实现更小体积和更低重量，这将极大推动航天器、量子计算机等高技术设备的实用化。
- 开辟新的技术路径：铁磁性材料作为磁制冷材料的潜力被充分验证，为全球科研人员提供了新的研究方向。
这一突破性发现相当于为极低温制冷技术找到了一种性能更强的核心材料，为构建下一代高精尖技术设备夯实了基础。
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