中国研发无氦3合金助量子计算机小型化

量子技术作为引领现代科学发展的核心引擎，其突破始终受制于一个巨大的物理障碍：如何构建的低温环境以消除热噪声。无论是超导量子计算机还是高灵敏度磁传感器，要发挥其全部性能，都必须维持在接近零度（-273.15℃）的深空级低温环境中。长期以来，实现这一苛刻条件的人工系统完全依赖于一种稀有同位素——氦3。

面对氦3供应短缺与冷却设备日益庞大的双重困境，以中国科学院（cas）为首的共同研究团队近日发布了令全球震惊的突破性成果。该团队利用一种不含氦3且无运动部件的紧凑型固体冷却模块，成功达到了106毫开尔文（mk）的极低温。这一革命性系统的核心，正是新开发的稀土合金euco₂al₉。本文将深入探讨该合金如何突破传统热力学极限，以及其背后复杂的自旋物理机制。

量子技术发展的瓶颈——“氦3危机”与巨型冷却装置

降低物质温度，本质上是剥夺其原子或分子的运动能量。当温度趋近于零开尔文时，物质的热涨落消失，宏观尺度上纯粹的量子力学性质得以显现。超导芯片上的量子比特若要在不发生退相干（量子态崩溃）的情况下进行计算，必须维持在10至15毫开尔文左右的极稳环境。过去，抵达这一极端低温区域的唯一手段，是利用氦3与氦4混合液相分离的稀释制冷机。

稀释制冷机虽具备可靠的制冷能力，却存在致命的运营缺陷。其系统需要复杂的管道和巨大的压缩机，往往占据整个房间的空间。更严峻的问题在于，作为冷却核心的氦3极度稀缺。自然界中仅存微量，大部分源自核武器维护中氚衰变的副产物，因此始终伴随着地缘政治的供应风险。连太空强国都计划开采月球风化层中的氦3，足见这一资源的获取已成为国家战略的阿喀琉斯之踵。

绝热去磁冷却（adr）的复兴：自旋编织的微观热力学

为了摆脱稀释制冷机的束缚，物理学家们重新关注起利用磁性的纯固体物理过程——“绝热去磁冷却（adr）”。理解adr机制的直观方法是想象物质内部无数微小的磁体，即“自旋”的行为。当对磁性体施加外部强磁场时，原本杂乱无章的自旋会整齐地朝向磁场方向排列。这就像散乱的货物被整齐地码放在货架上，意味着热力学熵（混乱度）降低。在此自旋排列过程中，系统会向外界释放多余能量，表现为热量。

随后，在将磁性体与外界隔绝的状态下缓慢撤去外部磁场，束缚自旋的力量消失。自旋试图恢复无序状态，熵值增加。由于无法从外界获取能量，系统只能消耗自身的内能来扰乱自旋方向，导致磁性体温度急剧下降。这就是adr的冷却原理。然而，传统磁性材料用于adr时存在致命缺陷：虽然能降低自身温度，但因材料接近绝缘体性质，缺乏从外部高效吸热的能力。在极低温下，由声子（晶格振动）主导的热传导极度迟钝，导致冷却功率无法有效传递至外部。

奇迹合金“euco₂al₉”的诞生：几何阻挫物理带来的超强制冷力

打破这一热传导壁垒的，是中国科学院理论物理研究所、合肥物质科学研究院及上海交通大学联合研究团队发现的稀土合金euco₂al₉（简称eca）。这种由铕（eu）、钴（co）、铝（al）按特定比例结晶的新材料，颠覆了过往常识，兼具两大特性：极大的磁熵变和极低温下媲美金属的高热导率。

eca产生巨大制冷效应的秘密，隐藏在其精密的晶体结构与电子行为中。铕原子形成二维正三角晶格，相邻自旋具有反铁磁性，倾向于指向相反方向。然而，几何上无法让三角形三个顶点的自旋同时指向相反方向，导致自旋在寻找能量zui低状态时陷入“迷茫”。物理学将此称为“几何阻挫”。

在这种阻挫环境下，铕的局域4f电子自旋通过传导电子媒介，发生远程相互作用，即rkky相互作用。研究团队分析发现，eca内部rkky相互作用与阻挫的协同效应，使得自旋在极低温下并未完全冻结，而是维持自发涨落的状态。论文报告指出，这种特殊自旋结构引发的电子异常散射，观测到了远超传统理论极限的巨大异常霍尔效应。

这种“无法完全有序的涨落”在adr过程中发挥了剧效。由于无磁场状态下自旋的混乱度（熵）极大，施加外磁场强制排列时，熵的落差被zui大化。此外，eca作为金属，其传导电子直接传输热量，在极低温下的热导率比传统磁制冷材料高出1到2个数量级。这使得合金内部产生的强烈吸热效应能快速传递给量子芯片等外部设备，实现了实用的冷冻系统。研究团队利用该合金组装了无运动部件的微型装置，创下了106毫开尔文的惊人低温记录。

技术霸权影响：darpa的焦虑与太空探索新范式

eca全固体冷却模块的诞生，已超越基础物理成就，成为动摇下一代国防与航空航天领域权力平衡的关键事件。美国国防部研究计划局（darpa）于2026年1月27日发布了紧急征召，要求开发不依赖氦3的模块化冷却系统。在下一代隐身战机或量子雷达等对机动性要求极高的军事平台上，搭载庞大且易受振动影响的稀释制冷机几乎是不可能的任务。

在darpa发布征召仅两周后的2月11日，中国研究团队在《自然》（nature）杂志发表论文，将darpa梦寐以求的理想系统变为现实。作为氦3进口国，中国确立了独立的冷却技术并提出了完全自主的解决方案，标志着战略技术竞争的关键转折点。这种小型化冷却技术在需要承受严苛发射振动和微重力环境的深空探测中同样具有无可比拟的优势。继詹姆斯·韦伯太空望远镜之后，下一代红外观测任务或需长期运行的量子通信中继卫星，很可能将无运动部件的eca冷却模块作为标准配置。

面向下一代技术基石

euco₂al₉的发现及其应用，为长期停滞的极低温工程史写下了新篇章。几何阻挫、异常霍尔效应等量子物性物理的深奥探索，zui终解决了氦3枯竭这一严峻的现实资源问题，彰显了基础研究与工程应用之间知识连续性的价值。这一新型固体冷却模块将成为推动实验室巨型量子计算机向紧凑系统转型的引擎。如今，人类已掌握将极低温环境自由封装并带入各种恶劣条件的强力钥匙，量子技术的真正潜力即将被释放。中国科研团队在基础物理领域的突破，不仅解决了自身资源瓶颈，更为全球量子计算与深空探测提供了可复制的“中国方案”，预示着未来全球科技竞争将更多转向材料科学与底层物理机制的较量。