立方相KGdF4 的低场驱动巨磁热效应：突破亚开尔温磁制冷材料瓶颈

为解决传统磁热材料高驱动磁场、低磁熵变(ΔS M )和结构不稳定的问题，研究人员通过固相烧结法制备了立方相KGdF4 (C-KGdF4 )。该材料在10 kOe磁场下实现30.5 J kg?1 K?1 的巨磁熵变，是商用GGG的三倍，同时将磁有序温度降至0.6 K，为无3 He超低温制冷提供了新方案。

　　

在探索宇宙奥秘和量子科技的前沿领域，实现稳定可靠的亚开尔温（<1 K）制冷是关键技术瓶颈。传统依赖³
He的稀释制冷技术因资源稀缺和太空环境适应性差而受限，而基于磁热效应（MCE）的绝热去磁制冷（ADR）技术虽具潜力，却受制于商用材料钆镓石榴石（Gd₃
Ga₅
O₁₂
, GGG）的高场需求（70 kOe）和较高磁有序温度（>1 K）。中国科学院的研究团队通过创新材料设计，在《Materials Today Physics》发表的研究中，揭示了立方相氟化钆钾（C-KGdF₄
）的低场巨磁热效应，为超低温制冷开辟了新路径。

研究采用固相烧结法合成KGdF₄
多晶样品，通过调控退火温度获得正交（O-KGdF₄
）、三角（T-KGdF₄
）和立方（C-KGdF₄
）三种晶相。利用X射线衍射（XRD）和超导量子干涉仪（SQUID）分别表征晶体结构和磁性能，结合GSAS II软件进行Rietveld精修验证相纯度。

实验结果与讨论

1. 晶体结构调控：XRD精修显示C-KGdF₄
   存在Gd³⁺
   /K⁺
   化学无序，增大了Gd³⁺
   -Gd³⁺
   间距（5.12 ?），削弱偶极相互作用，这是低磁有序温度（0.6 K）的关键。
2. 磁热性能突破：在10 kOe低场下，C-KGdF₄
   的ΔS
   _M
   达30.5 J kg^?1
   K^?1
   ，远超GGG（9.8 J kg^?1
   K^?1
   ），归因于K⁺
   掺杂增强的磁矩密度和化学无序协同效应。
3. 低温优势：0.6 K的磁有序温度显著低于GdF₃
   （1.25 K），且材料在空气中稳定性优于易潮解的GdF₃
   。

结论与意义
该研究通过碱金属掺杂策略，首次实现立方相KGdF₄
的低场巨磁热效应，其性能参数（ΔS
_M
和T
_C
）均优于现有Gd基材料。这一发现不仅解决了ADR技术对高场超导磁体的依赖，还为太空探测和量子计算等领域的超低温需求提供了材料基础。通讯作者Jun He指出，化学无序工程可进一步拓展至其他稀土化合物，推动下一代磁制冷材料的开发。