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Wettlauf zum Nullpunkt

Wie kühlt man Materie bis auf nahe Null Kelvin?

Wie nahe kann man dem absoluten Nullpunkt der Temperatur kommen? Mit dem Verständnis der modernen Thermodynamik begann Mitte des 19. Jahrhunderts ein bis heute anhaltender Wettlauf um das Erreichen der niedrigstmöglichen Temperatur.

Bose-Einstein-Kondensat
Im Zustand des Bose-Einstein-Kondensats nimmt ein Großteil der Atome den gleichen Quantenzustand an – ihr Verhalten lässt sich mit einer Wellenfunktion beschreiben. © NIST

Vom Flüssiggas zum Bose-Einstein-Kondensat

Der Entwicklung von Kältemaschinen im späteren 19. Jahrhundert kommt aufgrund ihrer Anwendung für das Aufbewahren von Lebensmitteln eine ähnlich revolutionäre Bedeutung zu wie den Dampfmaschinen für die Industrie. Die Gasverflüssigung beispielsweise durch das Linde-­Verfahren erlaubte es – neben seiner technischen Bedeutung für die Stahl­ und Düngemittelproduktion –, auf großem Maßstab immer niedrigere Temperaturen zu erreichen.

Im 20. Jahrhundert markieren viele Nobelpreise den Weg zum absoluten Nullpunkt der Temperatur: Entdecker der Supraleitung bei Temperaturen um fünf Kelvin war der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes, der an der Universität Heidelberg studierte und für seine Entdeckung 1913 den Nobelpreis erhielt. Oder die Erzeugung der Bose­-Einstein­-Kondensate, für die Wolfgang Ketterle, der in Heidelberg studierte und als Postdoktorand forschte, gemeinsam mit Eric A. Cornell und Carl E. Wieman 2001 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Laserkühlung
Bei der Laserkühlung hemmen die aus verschiedenen Richtungen kommenden Laserstrahlen die Bewegungen des Teilchens und senken so seine kinetische Energie. © PTB

Laser als Kühlmittel

Um die niedrigsten Temperaturen des Universums im Labor zu erreichen, werden heute atomare Gase mit Laserlicht gekühlt. Der Rekord liegt bei Temperaturen im Bereich von 10-­10 Kelvin: ein Zehntel eines Milliardstel Grads über dem absoluten Nullpunkt. Die so gekühlten Atome bewegen sich nahezu im Gleichschritt im Schneckentempo von wenigen Metern pro Stunde.

Entscheidend für diese ultimative Annäherung an den Punkt der absoluten Ruhe war folgende  Erkenntnis: Laserlicht, dessen Frequenzspektrum in guter Näherung aus nur einer einzigen Frequenz besteht und damit eine extrem geringe Entropie aufweist, lässt sich ideal nutzen, um einem atomaren Gas durch das Wechselspiel von Absorption und Emission kinetische Energie zu entziehen. Auch Molekülgase und Mikroresonatoren haben Forscher mithilfe einer solchen Laserkühlung bereits in extreme Kältezustände versetzt.

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Autor: Matthias Weidemüller, Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Das kälteste Gas des Universums
Forschung im Reich der ultrakalten Materie

Was ist Temperatur?
Von Atomen, Entropie und Energie

Wettlauf zum Nullpunkt
Wie kühlt man Materie bis auf nahe Null Kelvin?

Ultrakalte Quanteneffekte
Materie im Ausnahmezustand

Und der Nutzen?
Wozu sich ultrakalte Materie einsetzen lässt

Ein Dämon, Computer und die Energie
Quantenkälte und die Endlichkeit von Information

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