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.
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.
„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.
PTB maßstäbe / Anne Hardy
Stand: 29.10.2010
