Unter einem Wirrwarr von Rohren, Rohren, Messgeräten, Metallplatten, Pumpen und Klebeband liegt ein Ort, der kälter als der Weltraum ist. In diesem Umfeld des organisierten Chaos beginnt das Quantum Matter-Team des Cavendish Laboratory der Universität Cambridge, die exotischen Quanteneigenschaften superkalter Materialien in einem Kühlschrank von der Größe eines SUV zu enthüllen.
Da Menschen den Unterschied zwischen heiß und kalt leicht wahrnehmen können, ist die Temperatur ein Merkmal der Wissenschaft, das die Menschen ziemlich intuitiv erfassen können. Aber was Menschen tatsächlich erleben, wenn sie heiß von kalt unterscheiden, ist die Menge an Wärmeenergie, die ein System enthält – eine Eistüte enthält beispielsweise weniger Wärmeenergie als eine Schüssel heiße Suppe. Und weil diese Energie aus der Bewegung von Atomen und Molekülen innerhalb einer Substanz stammt, bedeutet dies, dass sich die Suppenmoleküle mehr bewegen als die im Eis.
Das Team an der Universität von Cambridge überwacht die Energie jedoch auf einem extremeren Niveau, wenn es versucht, sich dem absoluten Nullpunkt zu nähern – der kältesten Temperatur, die nach den Gesetzen der Thermodynamik zulässig ist. Der absolute Nullpunkt, technisch bekannt als Null-Kelvin, entspricht –273,15 Grad Celsius oder -459,67 Fahrenheit und markiert die Stelle auf dem Thermometer, an der ein System seine niedrigstmögliche Energie oder thermische Bewegung erreicht.
Es gibt jedoch einen Haken: Der absolute Nullpunkt ist unmöglich zu erreichen. Der Grund liegt in der Menge an Arbeit, die erforderlich ist, um einer Substanz Wärme zu entziehen, die sich mit zunehmendem kälteren Verlauf erheblich erhöht. Um null Kelvin zu erreichen, würden Sie unendlich viel Arbeit benötigen. Und selbst wenn Sie dorthin gelangen könnten, schreibt die Quantenmechanik vor, dass die Atome und Moleküle immer noch eine irreduzible Bewegung haben würden.
Quantenmechanik bedeutet auch, dass die Eigenschaften einer Substanz umso seltsamer werden, je näher diese Forscher dem absoluten Nullpunkt kommen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen verwandelt sich beispielsweise flüssiges Helium in ein Superfluid – eine Flüssigkeit, die ohne Reibungswiderstand fließt. Infolgedessen kann es spontan nach oben und aus einem Behälter heraus fließen; durch molekulardünne Risse sickern; bleiben Sie vollkommen ruhig, während Sie sich mit hohen Geschwindigkeiten drehen; und – für Physiker am überraschendsten – verschmelzen zu einem „Superatom“, das als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist. Das Cavendish-Team arbeitet mit nur 1 bis 10 Millikelvin oder Tausendstel Kelvin und untersucht derzeit eine Vielzahl Die Technologie, mit der die Gruppe solche eisigen Temperaturen erreicht, ist fast so kompliziert wie das Verhalten, das sie zu induzieren versucht.
Die Reise zum absoluten Nullpunkt begann früh 1700er Jahre, als Guillaume Amontons behauptete, wenn die Temperatur das Maß für die Wärme in einem System ist, muss es eine niedrigstmögliche Temperatur geben. Doch erst zwei Jahrhunderte später würde Amontons Theorie ihren Platz im Experimentieren finden. Heike Kamerlingh Onnes und seine Kollegen traten gegen andere auf der ganzen Welt an, um Techniken zur Verflüssigung von Helium zu entwickeln. Nach vielen gescheiterten Versuchen waren sie erfolgreich, sagt Dirk van Delft, Direktor des Museums Boerhaave, der niederländischen Nationa l Museum für Wissenschafts- und Medizingeschichte: „Leiden wurde kurzzeitig zum kältesten Ort der Erde.“
Onnes ‚Erfolg gelang schließlich dank einer der frühesten Formen der Hochleistungskühlung. Wie alltägliche Kühlschränke arbeitet das Kühlsystem in Onnes ‚Labor und jetzt in Labors auf der ganzen Welt in einem Zyklus. Der Abkühlvorgang selbst ähnelt dem, was passiert, wenn Sie eine heiße Tasse Kaffee zum Abkühlen aufblasen. Während die Person bläst, werden die chaotischeren, sich schneller bewegenden Kaffeemoleküle dazu angeregt, zu verdampfen und sich daher von der Tasse zu entfernen. Die zurückgebliebenen Moleküle bewegen sich im Durchschnitt langsamer, wodurch der Kaffee trinkbarer wird. Im Gegensatz zu alltäglichen Kühlschränken, die Dampf aus dem Kühlschrank verwenden, verwendete Onnes jedoch Helium im Gaszustand und Wasserstoff und Sauerstoff im flüssigen Zustand, um niedrige Temperaturen zu erreichen.
Durch Durchlaufen von gasförmigem Helium durch eine in kaltem flüssigem Wasserstoff und Luft getauchte Kammer erreichte die Onnes-Gruppe erfolgreich eine Temperatur, bei der sich Helium im Wert einer kleinen Teetasse verflüssigen konnte. Dabei wurde die überschüssige Wärme aus dem gasförmigen Zustand abgeführt und das System erreichte eine Temperatur von lediglich sechs Kelvin über dem absoluten Nullpunkt – der nächste Versuch seiner Zeit. Diese Forschung gewann Onnes 1913 den Nobelpreis. Er entdeckte auch versehentlich die Supraleitung, die Fähigkeit einer Substanz, elektrischen Strom ohne Widerstand zu führen. Diese Eigenschaft ermöglicht unter anderem die leistungsstarken supraleitenden Magnete, die in heutigen MRT-Detektoren und Riesenpartikelbeschleunigern verwendet werden.
Die besten Kühlsysteme der Welt basieren heute auf Onnes ‚Originalarbeit, können aber jetzt unter Verwendung von zwei verschiedenen Heliumisotopen einige Millikelvin erreichen. Im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten, die bei einem bestimmten Temperaturpunkt gefrieren und sich in einen Feststoff verwandeln, bleibt Helium bis zum absoluten Nullpunkt flüssig. Da seine Atome bei diesen Temperaturen so leicht sind, wird Helium schwach von anderen Heliumatomen angezogen, so dass sie in einem anhaltenden Wackeln eingeschlossen werden, das als Nullpunktbewegung bekannt ist, einem quantenmechanischen Effekt, der durch das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip definiert wird.
Helium arbeitet im Wesentlichen in einem geschlossenen Kreislauf und verhält sich fast genau wie die ungeordneten Kaffeemoleküle in Ihrer Tasse. Während der Zirkulation wird überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben. Wenn das Helium-3-Isotop aufgrund von Anziehungs- und Druckunterschieden, die durch die Kühlvorrichtung verursacht werden, in Richtung des Helium-4-Isotops wandert, absorbiert es Wärme und kühlt das gesamte System auf das Millikelvin-Niveau ab.
Das Cambridge-Labor verwendet diese Art von Kühlschrank, um viele verschiedene Arten von Materialien und Materialeigenschaften zu untersuchen. Das vielleicht überraschendste davon ist Eisengermanid, YFe2Ge2. Bei niedrigen Temperaturen verzieht sich dieses Material auf Eisenbasis zu einem Supraleiter. „Die erstaunlichste Entdeckung ist die Existenz von YFe2Ge2 als Supraleiter überhaupt“, sagt Keiron Murphy, Doktorand in der Cambridge Quantum Matter-Gruppe.
Eisen, erklärt er, zerstört typischerweise alle supraleitenden Eigenschaften eines Materials Aufgrund der magnetischen Natur von Eisen hat die Supraleitung viele Anwendungen in Wissenschaft, Medizin und Computer. Jeder neue Supraleiter kann zur Förderung neuartiger Technologien beitragen. Aufgrund der Arbeit dieses Labors wird YFe2Ge2 nun als Referenzmaterial für die Untersuchung der Supraleitung angesehen in Verbindungen mit einer ähnlichen Eisenstruktur.
Leider, so Murphy, sind Quantenzustände „von Natur aus zerbrechlich“, und ein wesentlicher Teil der interessanten Eigenschaften, die in einigen Materialien auf natürliche Weise auftreten, werden „durch Schwingungen bei höheren Temperaturen überwältigt . ” Die Quantum Matter-Gruppe arbeitet mit nur etwa 1 bis 10 Millikelvin und kann mehrere Monate lang Messungen bei diesen Temperaturen durchführen. Die Gruppe ist jedoch derzeit dabei, einen weiteren effizienteren Kühlschrank zu entwickeln, der diese niedrigen Temperaturen länger aushält.
Mit diesem neuen Kühlschrank wird das Team über einen längeren Zeitraum andere Materialien auf Eisenbasis bei niedrigen Temperaturen untersuchen und auch weiterhin mit Materialien arbeiten, die als topologische Halbmetalle bekannt sind, wie z. B. ZrSiS. Das magnetische Verhalten von topologischen Halbmetallen bei niedrigen Temperaturen ist Zum großen Teil ein Rätsel, denn ihre Eigenschaften werden von ihrer Topologie (oder der Anordnung ihrer Teile) dominiert, nicht von ihren Bestandteilen. Und das Cambridge-Team ist bereit, ihre Rätsel zu lösen, sobald der neue Kühlschrank in Betrieb ist.
Seltsame physikalische Eigenschaften gedeihen unter extremen niedrigen Temperaturen, und die Auswirkungen dieser bizarren Eigenschaften scheinen grenzenlos zu sein. Unterkühlungstechniken wie die Diejenigen, die in der Verdünnungskühlung eingesetzt werden, sind für eine Vielzahl von Disziplinen von entscheidender Bedeutung: Gravitationswellenforschung, Supraleitung, Spintronik, Quantencomputer und andere aufstrebende Technologien. Die Arbeit bei absolutem Nullpunkt ist entscheidend, um viele Unbekannte sowohl in der Quantenmechanik als auch in der Physik im Allgemeinen zu verstehen und aufzudecken.
„Bei diesen Temperaturen erhalten wir Zugang zu einer Welt exotischer Phänomene, und die Materialien, die einst gewöhnlich waren, werden außergewöhnlich“, sagt Murphy.