相变与临界现象是凝聚态物理的基石，其中液-气系统与铁磁体之间的经典类比深刻揭示了临界普适性的本质。铁磁体中的临界行为与磁热效应深度耦合，为发展固态极低温制冷新机制提供了坚实的物理基础。近日，中国科学院物理研究所孙培杰研究员、项俊森副研究员团队与合作者在螺旋伊辛反铁磁体Nd₃BWO₉中发现了场驱动的超临界现象及其普适磁卡效应，并提出了一种不依赖氦-3 的极低温制冷新机制。该成果以“Ising Supercriticality and Universal Magnetocalorics in Spiral Antiferromagnet Nd₃BWO₉”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为编辑推荐（Editors‘ Suggestion）。

阻挫磁性体系因其巨大的基态简并度和涌现的集体激发，成为探索新奇物态的前沿平台。近年来，具有堆叠kagome层的新型稀土硼钨酸盐RE₃BWO₉家族引起广泛关注，此前已在Gd₃BWO₉体系中实现巨大的磁热效应 [Phys. Rev. Mater. 9, 094407 (2025), Chinese Phys. Lett. 42 120706 (2025)]；将Gd³⁺替换为Nd³⁺，形成有效S_eff=1/2的阻挫反铁磁体，最初被认为可能存在量子自旋液体基态，后续中子散射研究确立了其在0.3 K以下进入反铁磁有序态。然而，其在磁场下的相变与临界行为仍需理解。针对这一问题，研究团队对Nd₃BWO₉单晶进行了系统的极低温热力学与磁卡效应测试，绘制了完整的磁场-温度相图（图1左），揭示了其中存在的伊辛超临界区。

图1（左）Nd₃BWO₉的温度-磁场相图。红色五角星代表临界端点(CEP)，其上方的扇形区域代表伊辛超临界区(ISR)。H<Hc时，系统处于平台相，对应于“液态”；H>Hc时，系统进入部分极化态，对应“气态”。当磁场为H_SF时，系统中出现低能拓扑激发及其产生的准零点熵(ZPE)。（右）Nd₃BWO₉的绝热去磁测量。伊辛超临界区表现出普适的超临界磁卡效应。

研究团队通过系统测量比热与磁化率，精确绘制了Nd₃BWO₉的磁场-温度相图，确定了一条场驱动的变磁相变线，其终止于临界终点（CEP，μ₀H_c≃ 1.04 T, T_c≃ 0.3 K）。临界终点之上，体系进入伊辛超临界区（ISR），其边界线遵循三维伊辛普适类标度律 h∝t^β+γ, β+γ≈1.563。磁化率数据经标度变换后完美塌缩至普适曲线，与三维经典伊辛模型蒙特卡洛计算高度一致。在临界终点及超临界区边界附近，磁格林艾森参数ΓH呈现发散行为，满足Γ_H ∝1/ t^β+γ−1。绝热去磁测量表明，从2 K，4 T出发，通过超临界磁卡效应与拓扑激发制冷的自级联机制，样品最终达到195 mK的极低温（见图1右）。该工作为在层状笼目稀土化合物RE₃BWO₉家族以及更广泛的伊辛各向异性反铁磁体（如自旋冰）中研究超临界现象和磁制冷开辟了新途径。

综合极端条件实验装置（SECUF） F2实验站为本工作提供了极低温物性测量条件支撑。研究人员借助实验站稀释制冷机插杆等设备，在亚开尔文温区完成了比热、磁化率和绝热去磁等测量，为超临界普适标度律的建立和超临界制冷机制的验证提供了坚实的实验证据，最终成功揭示了伊辛超临界现象及其与拓扑激发的协同制冷效应 [Phys. Rev. Lett. 136, 246502 (2026)]。F2实验站还在本团队“自旋超固态及其巨大磁卡效应的发现”的工作中发挥了重要作用。其中F2实验站拓展了PPMS的测量方法，利用比热托自带的温度计配以准绝热条件，最终实现了极低温条件磁热效应的测量，并获得了理想的MCE数据，该数据在正文图片中发表。该工作获评了SECUF“2024年十大亮点科学成果” [Nature 625, 270 (2024)]。SECUF已于2025年初通过国家验收并正式开放运行，其强大的极端条件产生与测量能力，正持续为我国乃至世界科技工作者探索物质科学前沿提供不可或缺的支撑。

论文共同第一作者为刘鑫阳（北航物理学院、物理所联合培养）、吕恩泽（理论物理所）、崔雪玲（北航物理学院）和葛晗（南科大物理系）；共同通讯作者为赵侃（北航物理学院）、项俊森（物理所）、孙培杰（物理所） 和李伟（理论物理所）。合作者包括宋方圆、田召明（华中科大）和苏刚（理论物理所）。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国科学院相关项目的资助，并特别致谢综合极端条件实验装置（SECUF）团队在设备运维与技术支持中的贡献。

文章链接：https://doi.org/10.1103/nqcw-pz8v

 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w