Chinesische Forscher entwickeln Metall zur ultrakalten Kühlung
Bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt – d. h. 0 Kelvin bzw. -273,15 Grad Celsius – passiert Ungewöhnliches: Plötzlich treten exotische Phänomene wie Supraleitung und Suprafluidität auf. Das heißt, der elektrische Widerstand wird praktisch null oder Wärme kann nahezu ideal geleitet werden. Die meisten Quantencomputer sind auf eine Umgebung mit Temperaturen unter 1 Kelvin angewiesen, um zu funktionieren.
So niedrige Temperaturen zu erreichen ist allerdings nicht einfach. Entsprechende Kühlsysteme greifen häufig auf Helium-3 zurück, doch das Element ist recht selten. Chinesische Forscherinnen und Forscher haben es mittels einer neuartigen Metalllegierung ohne Helium-3 geschafft, 106 Millikelvin zu erreichen. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift nature veröffentlicht.
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Adiabatische Entmagnetisierung
Das Forschungsteam nutzt zur Kühlung die sogenannte Adiabatic Demagnetization Refrigeration (ADR), zu Deutsch adiabatische Entmagnetisierung. Bei einer adiabatischen Zustandsänderung geht ein Material von einem Zustand in einen anderen über, ohne mit seiner Umgebung Wärme auszutauschen.
Beim ADR-Prinzip wird ein sogenanntes magnetokalorisches Material in einem Kältebad in ein Magnetfeld gebracht. Magnetokalorische Materialien erwärmen sich bei Einwirkung eines magnetischen Feldes und kühlen wieder ab, wenn man es entfernt.
Unter Einfluss des Magnetfeldes wird die magnetische Entropie des Materials reduziert und die Magnetisierungswärme an das Kältebad abgeführt. Als Nächstes bricht man den Kontakt zum Kältebad und entfernt das Magnetfeld. Weil dies adiabatisch geschieht, bleibt die magnetische Entropie reduziert. Dadurch reduziert sich wiederum die Temperatur des Ausgangsmaterials – es ist viel kälter als zu Beginn.
Neuartige Metallverbindung
In einer Presseaussendung erklärt die Chinese Academy of Sciences (CAS), dass die meisten Materialien, die bisher für ADR verwendet wurden, zwar im Inneren sehr kalt blieben, aber Wärme schlecht übertragen. Das Forschungsteam machte sich daher auf die Suche nach einem ADR-Metall, „spin supersolid“ genannt, das hohe Kühlleistung und schnellen Wärmeabtransport vereint.
Die Physikerinnen und Physiker designten und synthetisierten schließlich eine neuartige dreidimensionale Legierung: EuCo2Al9, kurz ECA. Es vereint Europium, das zu den seltenen Erden gehört, mit Kobalt und Aluminium.
Mit 106 Millikelvin erreicht es laut CAS die niedrigste Temperatur, die ein metallisches magnetokalorisches Material ohne Helium-3 jemals erreicht hat. Gleichzeitig sei seine Wärmeleitfähigkeit um 50- bis 100-mal besser als bei herkömmlichen Materialien.
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ADR-Material aus Augsburg noch kälter
„Es ist ein metallisches Kühlmaterial, was den Vorteil bringt, dass leichter ein thermischer Kontakt hergestellt werden kann“, erklärt Philipp Gegenwart, Professor für Experimentalphysik an der Universität Augsburg der futurezone. Er hat die Studie der chinesischen Forscherinnen und Forscher peer-reviewt, d. h. vor der Veröffentlichung geprüft.
Er selbst arbeitet mit seinem Team ebenfalls an einer heliumfreien Kühlmethode für Quantentechnologien. Bei einem ADR-Material, das er untersucht hat, wurde Silberpulver beigemischt, um besseren thermischen Kontakt herzustellen. Es kann Temperaturen von bis zu 22 Millikelvin erreichen, wird also kälter als das chinesische ECA. Außerdem sei die Methode seines Teams effizienter als das „spin solid“, betont Gegenwart.
Quantentechnologie als Regierungsziel
Wie die South China Morning Post (SCMP) berichtet, hat die chinesische Regierung die Entwicklung der Quanten-Technologie-Industrie zum expliziten Ziel erklärt. Gemäß dem neuen 5-Jahres-Plan sollen Investitionen in dem Bereich erhöht werden, heißt es bei Reuters.
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Auch die US-amerikanische Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat im Jänner eine Ausschreibung gestartet, in der nach Helium-3-freien Kühlsystemen gesucht wird. Anders als die SCMP behauptet, ist es allerdings höchst unwahrscheinlich, dass ECA eine direkte Antwort auf die Ausschreibung der DARPA war. Denn mittels ADR Temperaturen im Millikelvin-Bereich zu erlangen sei schon seit Jahrzehnten möglich, sagt Gegenwart.