Wie weit sind Wissenschaftler bei der Schaffung von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auf der Erde gekommen?

Bevor ich jeden Tag das Haus verlasse, schaue ich mir regelmäßig den Wetterbericht an. Neben der Frage, ob es sonnig, bewölkt, windig oder regnerisch sein wird, ist die Temperatur der Wert, auf den ich am meisten achte. Sie bestimmt maßgeblich, welche Kleidung ich beim Ausgehen tragen sollte. Dieser für uns eng verwandte physikalische Parameter beschreibt die Wärme oder Kälte eines Gegenstandes.

Das Thema, über das wir heute sprechen werden, ist die Temperatur, insbesondere die physikalische Temperaturgrenze – der absolute Nullpunkt.

Der absolute Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur, die im Universum erreicht werden kann, da bei dieser Temperatur die thermische Bewegung der Atome und Moleküle, aus denen Materie besteht, vollständig zum Stillstand kommt. Dies ist natürlich die Grenze, die sich aus dem idealen Gasmodell ergibt. Bei anderen Wechselwirkungen zwischen Materie, insbesondere bei der Betrachtung von Quanteneffekten, ist immer eine Bewegung vorhanden, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Heute konzentrieren wir uns darauf, warum wir uns immer weiter dem absoluten Nullpunkt nähern müssen und wie wir uns Schritt für Schritt dem absoluten Nullpunkt nähern.

In der Materie gibt es viele Wechselwirkungen, auch Kräfte genannt. Zu den bekannten Kräften zählen die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitationswechselwirkung. In unserem täglichen Leben sind die elektromagnetischen Kräfte und die Gravitationskraft die häufigsten Kräfte. Wenn sich eine große Anzahl von Partikeln zusammenfindet, erreichen die Wechselwirkungen zwischen ihnen und der thermischen Bewegung der Umgebung ein gewisses Gleichgewicht und bilden so einen relativ stabilen Zustand, der in der Physik als „Phase“ bezeichnet wird. Die Temperatur beschreibt eigentlich die Intensität der thermischen Bewegung in der Umgebung.

Wenn wir die Temperatur ändern, wird das oben genannte Gleichgewicht an einem bestimmten kritischen Punkt gestört, wodurch die Substanz von einer Phase in eine andere übergeht. Ein typisches Beispiel: Wenn die Temperatur unter 0 Grad fällt, gefriert Wasser und wechselt von der flüssigen in die feste Phase, und wenn die Temperatur auf 100 Grad steigt, kocht Wasser und wechselt von der flüssigen in die gasförmige Phase. Wenn wir die Temperatur weiter erhöhen, wird sich die durch bestimmte starke Wechselwirkungen zusammengehaltene Materie allmählich auflösen und wir können weiterhin die ursprüngliche Form der Materie verfolgen. Genau das ist es, was die Hochenergie-Teilchenphysik tut.

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Wenn wir andererseits die Temperatur weiter senken, werden allmählich schwächere Wechselwirkungen auftreten, die viele neue Kondensationsphänomene wie etwa Supraleitung zeigen. Obwohl die Temperatur des gesamten Universums nur auf 2,7 K, also etwa minus 270 Grad Celsius, abgekühlt ist, spüren wir auf der Erde die Wärme der Sonne. Die Temperatur ist sehr hoch. Wenn wir verschiedene seltsame Effekte bei niedrigen Temperaturen auf der Erde erforschen und versuchen wollen, sie zu nutzen, müssen wir künstlich eine stabile Umgebung mit niedrigen Temperaturen schaffen.

Für den modernen Menschen sind Kühlschränke und Klimaanlagen die Dinge, die er am meisten mit Niedertemperaturtechnologie verbindet. Im Sommer sind sie neben WLAN fast eine notwendige Voraussetzung zum Überleben. Natürlich geht das Streben der Physiker weit darüber hinaus. Sie hoffen immer, ihre Bemühungen zur Erforschung aller möglichen Materialstrukturen auszuschöpfen. Damit einher geht das ultimative Streben nach einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen.

Auf dem Weg zur Erzielung niedriger Temperaturen gibt es einen uns bestens bekannten Pionier: Faraday. Das stimmt, es war Faraday, der das Gesetz der elektromagnetischen Induktion entdeckte. Als er die chemischen Eigenschaften von Chlor untersuchte, stieß er zufällig auf flüssiges Chlor. Er kam zu dem Schluss, dass die Ursache niedrige Temperaturen und hoher Druck seien. Von da an war er nicht mehr aufzuhalten und verflüssigte nahezu alle damals bekannten Gase. Nur Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und andere Gase ließen sich nicht verflüssigen, daher stellte er fest, dass es sich bei diesen Gasen um „permanente Gase“ handele. Natürlich widerlegten die Fakten später seine Annahme, aber die Gasverflüssigung war schließlich sein Nebenjob. Dass er Chlor verflüssigte, geschah aus Versehen, da er zu dieser Zeit Assistent des Chemikers David war und sein Hauptberuf eigentlich die Chemie war.

Als nächstes verflüssigte der Franzose Cailleté Sauerstoff und Stickstoff und nutzte dabei einen wichtigen Effekt – den Joule-Thomson-Effekt. In den heutigen Verdünnungskältemaschinen gibt es eine wichtige Komponente namens „Koksaustauscher“, die ein wichtiges Bindeglied bei der Verflüssigung von Helium darstellt. Durch die Verflüssigung von Stickstoff wird die kryogene Grenze auf minus 196 Grad Celsius (77 K) verschoben.

Die wichtigere Figur ist jedoch Duva. Heutige Kryo-Lagertanks heißen Dewars. Dewars wichtiger Beitrag war die Verflüssigung von Wasserstoff. Dabei wählte er eine Methode der schrittweisen Verflüssigung und Abkühlung: Zunächst wurde das leicht verflüssigbare Gas verflüssigt, anschließend erfolgte eine Drosselung und Expansion, um die Temperatur weiter zu senken. Dann wurde ein anderes, schwieriger zu verflüssigendes Gas eingeführt, um es zu verflüssigen. Anschließend wurden Drosselung und Expansion durchgeführt, um die Temperatur zu senken. Dieser Vorgang wurde nacheinander wiederholt. Mit dieser drastischen Methode erreichte er schließlich eine Temperatur von -260 Grad Celsius. Dewars Wunsch war es, das letzte „permanente Gas“ weiter zu erobern – die Verflüssigung von Helium. Leider war dieses Gas zu knapp und er konnte nicht genug davon bekommen, sodass sein Wunsch letztlich nicht in Erfüllung ging.

Die Person, die diesen Staffelstab übernahm, war Onnes, der damalige Leiter des Physiklabors an der Universität Leiden in den Niederlanden. Unter seiner Führung entwickelten sie Dewars schrittweise Kältetechnik schnell weiter und bauten mit Unterstützung ihrer Finanzkraft eine große Verflüssigungsanlage. Mithilfe des Hampson-Linde-Zyklus, des Tieftemperatur-Dewar-Kessels und des Joule-Thomson-Effekts gelang es ihm, Helium zu verflüssigen und die Temperaturgrenze weiter auf minus 269 Grad Celsius zu verschieben. Später wurde die Temperatur mithilfe der Druckreduzierungs- und Kühltechnologie weiter auf 1,5 K erhöht, was etwa minus 272 Grad Celsius entspricht. Außerdem erhielt er den Titel „Mr. Absolute Zero“. Onnes entdeckte das Phänomen der Supraleitung erstmals mit Hilfe von flüssigem Helium, was eine weitere große Neuigkeit ist. Nachdem die Heliumverflüssigungstechnologie ausgereift war, hat sich flüssiges Helium zu einer der am häufigsten verwendeten Kältemittel für niedrige Temperaturen entwickelt. Neben der niedrigen Temperatur ist Helium vor allem eins: Es ist ein inertes Gas, ungiftig und harmlos, es explodiert nicht und ist viel sicherer als flüssiger Wasserstoff.

Allerdings sind 1,5 K noch ein ganzes Stück vom absoluten Nullpunkt entfernt und der Weg zum absoluten Nullpunkt ist noch lange nicht zu Ende. Helium hat auch ein weiteres Isotop, Helium-3 (3He). Dabei handelt es sich um eine Substanz, die unter Normaldruck niemals fest wird. Durch Druckreduzierung und Kühlung des Helium-3 lässt sich die Temperatur theoretisch kontinuierlich nahe dem absoluten Nullpunkt bringen, allerdings ist die dafür erforderliche Pumpgeschwindigkeit zu hoch und technisch nicht realisierbar.

Später entdeckten Wissenschaftler, dass sich die beiden Phasen in eine dichte und eine verdünnte Phase trennen, wenn die Temperatur einer Lösung von Helium-3 in Helium-4 unter etwa 0,8 K fällt. Wenn Helium-3-Atome die Grenzfläche zwischen den beiden Phasen passieren, nehmen sie etwas Wärme auf. Dies ist zur Grundlage der Verdünnungskältetechnik geworden, der wichtigsten Technologie zur Erzielung extrem niedriger Temperaturen von Feststoffen. Dies ist auch die Bedeutung des Wortes Verdünnung. Da selbst beim absoluten Nullpunkt noch etwa 6 % Helium-3 in der verdünnten Phase vorhanden sind, kann dieser Kühlprozess bis nahe an den absoluten Nullpunkt fortgesetzt werden. Durch Verdünnungskühlung kann die Temperatur auf wenige mK gesenkt werden, also nur wenige Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Wenn man noch tiefer geht, gibt es die Technologie der nuklearen adiabatischen Entmagnetisierung, mit der die Temperatur ebenfalls auf unter 1 mK gesenkt werden kann. An diesem Punkt ist die Technologie der Feststoffkühlung grundsätzlich an ihre Grenzen gestoßen. Durch die Laserabbremsung einer kleinen Gruppe atomaren Gases kann die Gastemperatur jedoch auf den Mikro-K-Bereich gesenkt werden.

Wir wissen nicht, wo die Grenze der niedrigen Temperaturen liegt, und ich bin davon überzeugt, dass die Erforschung dieses Gebiets nie nachlassen wird. Heute haben wir entdeckt, dass ultraniedrige Temperaturen die Entwicklung von Technologien ermöglichen können, die die Welt der Zukunft revolutionieren könnten – das Quantencomputing. Wenn dies eines Tages Wirklichkeit wird, könnte dies der größte Segen sein, den die Ultratieftemperaturtechnologie der Menschheit bringen kann!

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Jin Yirong

Gutachter: Zhou Xiaoliang (Physiklabor, Beijing Jiaotong University)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.