凝聚态物理；材料科学；低温工程
第一作者：王建乔；方楚舒（Jianqiao Wang#, Chushu Fang#, Zhibin Qiu, Yang Zhao, Quan Xiao, Xiying Sun, Zhaoyi Li, Laifeng Li, Yuan Zhou, Changzhao Pan*, Shu Guo*, Tunable Multistage Refrigeration via Geometrically Frustrated Triangular Lattice Antiferromagnet for Space Cooling. Device, 2026, 4(4), 101080.）
要求：面向极低温制冷关键技术需求，团队成功开发出新型高性能蓄冷材料Gd2O2Se（GOSe）。
传统蓄冷材料如Er3Ni、HoCu2和Gd2O2S(GOS)在一定程度上缓解了10 K以下比热迅速衰减所带来的蓄冷应用瓶颈。然而，长期以来高性能蓄冷材料核心技术主要受日本等国家专利体系制约。同时，现有商用蓄冷材料体系仍存在明显的蓄冷温区空白，尤其是在近液氦关键温区，难以实现高效热容量传递与温区衔接，制约了空间制冷等特殊应用场景对宽温域、高制冷效率的极端需求。GOSe作为GOS的同构新材料，继承了其稳定的双层三角晶格骨架，并通过几何阻挫效应，将磁相变温度成功压低至8 K以下，在6.21 K和2.11 K处呈现出两个连续磁相变特征。该材料在液氦关键温区同时实现磁有序与宽温区高比热协同覆盖，有效构建起传统蓄冷材料缺失的热容桥接区间。该成果有望打破现有高端蓄冷材料长期依赖进口的局面，实现关键功能材料的自主可控，并显著提升脉冲管制冷机在近液氦温区的制冷效率，为深空探测、空间载荷低温系统等重大应用提供重要材料支撑。
*【正文内容】
- 导读:
本研究聚焦于一种具有钆基双层三角晶格反铁磁材料GOSe，首次揭示了其在覆盖液氦温区的两级连续磁相变，实现了高比热值和宽相变温区，填充了现有商业蓄冷材料的应用空白。同时，将材料填充进脉冲管制冷机，制冷机制冷效率提升66.5 %，并实现5.85 K近液氦温区制冷。该材料展现出优异低温蓄冷性能，有望在空间制冷领域发挥应用价值。
- 正文：
在深空探测等空间探索任务中，低温制冷技术是保障空间载荷长期稳定运行的核心支撑。其中，10 K以下乃至近液氦温区的制冷技术，是空间天文观测、量子精密探测等高端空间任务实现高灵敏探测性能的关键技术基础。
当前主流的斯特林脉冲管制冷机因冷头无机械运动部件、寿命长、振动低等优势，已成为空间低温制冷系统的优选技术路线。然而，传统蓄冷填充材料在10 K以下普遍存在热容快速衰减问题，直接导致制冷机换热效率下降甚至性能失效，严重制约了空间低温制冷技术向更低温区拓展。近年来发展起来的磁蓄冷材料，凭借其低温区高比热特性，被认为是突破这一技术瓶颈的核心解决路径。其中，Er3Ni、HoCu2等材料已逐步成为近液氦温区空间制冷的重要材料体系。
低温下磁蓄冷材料的制冷效能取决于比热特性，近年来，通过几何阻挫调控磁相变温度，拓宽材料比热响应温区并填补商用材料间的热容空白，正成为低温磁蓄冷材料的研究热点。利用钆离子大自旋S = 7/2的特性带来的高磁熵，能大幅提升材料的低温磁蓄冷性能。我们设想构建大自旋S = 7/2的钆基双层三角晶格反铁磁体，并利用几何阻挫诱导的宽域高比热特性实现近液氦温区的高效制冷。该研究中的GOSe作为常用的商用蓄冷材料GOS的同构体，兼具大自旋、高磁熵，是实现这一想法的理想材料载体。
图1 比热特性与制冷性能评估。（A）零磁场下GOSe的比热及磁熵演化行为；（B）GOSe 与典型商用蓄冷材料的低温比热性能对比；（C）填充GOSe后制冷机的降温曲线；（D）制冷量及相对卡诺效率对比：Case 1为填充GOSe，Case 2 为未填充GOSe。
我们采用化学气相输运法成功生长出毫米级GOSe单晶，并首次基于单晶样品系统研究了其磁相变行为及低温比热特性。零磁场条件下，GOSe在10 K以下表现出两级连续磁相变特征，反映出体系低能磁激发态丰富、能级简并度高（图A），并表现出宽温区高比热响应特征。与常用商业蓄冷填料相比，GOSe在低温区表现出更高的比热峰值及更宽的有效温区跨度（图B）。结合比热与磁化测量结果，我们系统确定了GOSe的低温磁行为及磁熵贡献机制。进一步地，将GOSe与Er3Ni、HoCu2共同填充于三级斯特林脉冲管制冷机低温级蓄冷器，并结合仿真优化的梯度填充方案，在样机中实现了最低5.85 K的近液氦温区制冷能力（图C）。制冷性能评估结果表明，引入GOSe蓄冷材料后，系统在8 K以下的制冷性能得到显著提升（图D）。具体而言，在7 K时，制冷机的相对卡诺效率提升了66.5%。这一结果充分验证了GOSe材料在近液氦温区实现高效换热及热容补偿方面的关键作用。
- 总结展望：
本工作基于GOSe毫米级单晶样品，系统揭示了其在几何阻挫调控下形成的两级连续磁相变行为、宽温域高比热响应特性及其优异的低温磁蓄冷性能。研究结果表明，GOSe的比热温区分布能够有效填补现有商用蓄冷材料之间的热容性能空白，显著提升近液氦温区制冷效率，是极具应用潜力的新型低温磁蓄冷材料。
同时，双层三角晶格稀土氧硒化物体系展现出的复杂磁相互作用与丰富量子态行为，不仅具有重要工程应用价值，也为理解阻挫反铁磁体系的微观磁性机制提供了新的研究平台。未来，有望基于该设计思路进一步探索更多大自旋阻挫磁体体系，推动新一代高性能低温蓄冷材料的发展，并拓展量子磁性材料在极低温技术领域的应用边界。
*【通讯作者简介】
郭 抒，南方科技大学助理研究员，博士生导师。2012年于武汉理工大学获得理学学士学位，2017年于中国科学院理化技术研究所（北京）获得物理化学博士学位，2017-2021年在普林斯顿大学R. J. Cava教授课题组开展博士后研究，现从事新型阻挫量子磁体开发、量子现象探测和磁制冷应用研究。
潘长钊，深圳国际量子研究院研究员，博士生导师。2011年山东大学能源与动力工程学院本科毕业，2016年获中国科学院理化技术研究所博士学位。2016年至2018年，中国科学院理化技术研究所博士后；2018年至2021年，法国国立工艺学院-法国国家计量院联合实验室博士后（欧盟玛丽居里学者）；2021年至2023年，南方科技大学深圳量子科学与工程研究院副研究员。主要从事极低温制冷与精密测控研究，聚焦于稀释制冷机、脉冲管制冷机等全国产化极低温装备研制，开展低温热力学精准测量、极低温系统集成与测控关键技术攻关，服务量子计算、凝聚态物理等前沿科学研究。
*【推送语】
中文：
基于Gd2O2Se毫米级单晶样品，首次观测到两级连续磁相变行为。该材料兼具覆盖液氦温区的磁有序温度与宽温域高比热特性，有望突破传统商业蓄冷材料Gd2O2S的长期技术垄断，推动关键蓄冷材料国产化替代。
在工程验证方面，依托Gd2O2Se几何阻挫诱导的宽域高比热优势，成功将原有的7 K脉冲管制冷机制冷效率提升 66.5%，并实现最低5.85 K的近液氦温区制冷。该材料展现出卓越的极低温磁蓄冷性能，具备重要的空间低温制冷工程应用潜力。
英文：
Based on millimeter-sized single crystals of Gd2O2Se, a two-stage continuous magnetic phase transition has been observed for the first time. The material simultaneously features magnetic ordering temperatures covering the liquid-helium temperature range and a broad high specific-heat window, offering a promising route to break the long-standing technological dominance of commercial regenerator material GOS and enable domestic substitution of key cryogenic materials.
From an engineering perspective, leveraging the geometrical-frustration-induced wide-range high specific heat of Gd2O2Se, the cooling efficiency of the original 7 K pulse tube cryocooler was improved by 66.5%, achieving a minimum temperature of 5.85 K in the near–liquid-helium regime. This material demonstrates outstanding low-temperature magnetocaloric performance and holds strong potential for space cryogenic cooling applications.
