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Im Reich der Tieftemperaturmaschinen

Moderne Verfahren der Extrem-Kühlung

1926 schlugen Debye und fast gleichzeitig der kanadische Chemiker und spätere Nobelpreisträger William Francis Giauque einen Ausweg aus der Sackgasse vor: die magnetische Kühlung. Nun konnte der Wettstreit um die tiefsten Temperaturen fortgesetzt werden.

Die Mikrokelvinanlage der PTB schafft Temperaturen nur wenige millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.Dazu arbeitet die Anlage mit zwei Kühlstufen: In der Bildmitte ist die zylinderförmige, vergoldete Kupferkernkühlstufe zu erkennen und im unteren Bildteil die von einem vergoldeten Aluminiumschild umgebene Platinkernstufe. Mit diesem Aufbau können die PTB-Wissenschaftler (im Bild: Peter Strehlow) kondensierte Materie bei einigen Mikrokelvin und in hohen Magnetfeldern bis zu 9 Tesla untersuchen. © PTB / original-okerland

Mit dieser Methode arbeitet auch der Berliner Mikrokelvinkryostat der PTB. Er zählt weltweit zu

den besten Tieftemperaturmaschinen. Die eigentliche Kühlstufe passt locker auf den Schreibtisch von Peter Strehlow, doch für den Betrieb ist eine beeindruckende dreistöckige Halle notwendig, ausgestattet mit einem starken supraleitenden Magneten, einem aufwendigen System zur Kühlung mit flüssigem Helium, einer gegen Hochfrequenzstrahlung abgeschirmten Kabine sowie jeder Menge Elektronik.

Atomkern im Magnetfeld

Die magnetische Kühlung beruht auf der Idee, Metalle wie beispielsweise Kupfer an ihrem magnetisierbaren Atomkern zu packen und sie wie winzige Magnetnadeln in einem starken Magnetfeld auszurichten. Die dabei freiwerdende Wärme wird vom Arbeitspferd der Anlage, dem Verdünnungskryostaten, abtransportiert. Da für seinen Betrieb pro Tag mehrere Liter flüssiges Helium benötigt werden, verfügt die PTB über eine eigene Anlage zur Verflüssigung des Kühlmittels. Auf diese Weise lassen sich die Kupfer-Atome in der so genannten Kernstufe innerhalb von drei Tagen auf zehn tausendstel Kelvin herunterkühlen.

Kühlung durch Spinbewegung

Als nächstes wird der Wärmeaustausch mit der Umgebung abgeschnitten, wie bei einer überdimensionalen Thermoskanne, und das Magnetfeld allmählich zurückgefahren. Die Kernspins können sich dann wieder stärker bewegen, brauchen dazu aber Energie, die sie ihrem Umfeld, der umgebenden Elektronenwolke, entziehen. So kühlt sich das System als Ganzes noch weiter ab.

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„Die tiefsten Temperaturen, auf die man Festkörper heute abkühlen kann, liegen bei etwa zwei Mikrokelvin, also zwei millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt“, sagt Strehlow. Diesen Kälterekord erreichten 1997 erstmals Tieftemperaturphysiker der Universität Bayreuth unter Leitung von Frank Pobell, wenig später gelang es auch in Strehlows Labor, Festkörpertemperaturen in diesem Bereich zu erzeugen.

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PTB maßstäbe / Anne Hardy
Stand: 29.10.2010

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Wettlauf zum Nullpunkt
Annäherungsversuche an die absolute Kälte

Die tiefste Temperatur im Universum
Auf der Suche nach der absoluten Kälte

Kräftemessen im Kältelabor
Der Wettstreit von Dewar und Onnes

Kriechendes Helium und supraleitendes Quecksilber
Entdeckungen im Reich der Tiefsttemperaturen

Im Reich der Tieftemperaturmaschinen
Moderne Verfahren der Extrem-Kühlung

„Schockgefrieren“ von Atomkernen
Wie geht es weiter?

Meilensteine der Kälteforschung
Vom ersten Thermometer zum Fermionen-Kondensat

Diaschauen zum Thema

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