新型铁磁性材料助力深空探测器迈向“微型制冷”时代
在量子计算、深空探测和基础物理研究等高端技术领域，设备往往需要在接近绝对零度（-273.15℃）的极端低温环境下运行。为了满足这一需求，科研人员持续探索更为高效、轻便的制冷技术。近日，中国科学家在该领域取得重要突破，研发出一种新型铁磁性材料，为未来制造更小型、更高效的“极低温磁制冷系统”提供了可能。
传统的磁制冷系统依赖于高强磁场来激发材料的磁矩排列，进而实现温度调节。然而，现有材料多为反铁磁性结构，必须依赖大型超导磁体，不仅系统笨重，而且运行成本高昂。这在需要极致轻量化和空间优化的航天任务中构成了显著障碍。
磁制冷的基本原理
磁制冷技术基于磁熵变效应，其原理类似于一种“磁性海绵”行为。当外部磁场施加于材料时，其内部磁矩趋于有序排列，伴随热量释放；而一旦磁场撤除，磁矩重新随机化，系统将从环境中吸收热量，从而降温。
- 充磁阶段：外加磁场使磁矩对齐，材料温度上升，热量由冷却系统带走。
- 退磁阶段：磁场移除后，磁矩无序化，系统吸热降温。
该技术早在1933年便被用于低温实验，并因此获得诺贝尔奖，但受限于材料特性，其应用一直未能实现小型化。
新型材料：铁磁性NH₄GdF₄
中国科学院金属研究所的研究团队在铁磁性材料领域取得了重大进展，开发出新型材料NH₄GdF₄。相较于传统反铁磁性材料，该材料具备更强的磁响应能力，且磁矩排列更为协同。
- 磁响应灵敏：新材料仅需相对较低的磁场即可实现磁化饱和，从而减少对高强磁场和超导磁体的依赖。
- 制冷效率显著提升：实验数据显示，在相同磁场强度下，该材料的磁熵变达到传统GGG材料的2.5至9倍。
- 低温性能优异：在模拟测试中，新材料将温度从液氦温度（4K，-269℃）进一步降至0.79K，远优于传统材料的1.5K。
在极低温世界中，这样的温差差异意味着性能上的巨大飞跃。
对未来技术的意义
这项研究成果为发展紧凑型极低温制冷系统提供了新材料解决方案。
- 设备微型化：未来的量子计算机与卫星载荷有望配备更小、更轻的制冷装置，对空间任务的载荷优化具有重要意义。
- 拓展技术路径：该研究验证了铁磁性材料在磁制冷领域的应用潜力，为全球科学家提供了新的研究方向。
这项材料创新犹如为极低温制冷系统注入了“核心部件”，标志着迈向下一代高效制冷技术的重要一步。未来，它将在量子通信、深空探测等多个高精尖技术领域发挥关键作用。
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