Röntgen-Laser macht es auf der Erde kälter als im All

Wissenschaftler*innen am SLAC National Accelerator Laboratory  des US-Energieministeriums ist es gelungen, flüssiges Helium auf minus 271 Grad Celsius (oder 2 Kelvin) zu kühlen. Das ist kälter als im Weltraum. Selbst die leeren Regionen sind nicht so kalt, weil es da immer noch kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gibt.

Verwendet wurde im Tunnel in Kalifornien ein Röntgen-Laser namens LCLS-II. Die Temperatur, die damit erreicht wurde, liegt nur noch wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt, also der tiefst möglichen Temperatur. Bei dieser hört jede Teilchenbewegung auf, wie LiveScience berichtet. Die erste Version des Lasers LCLS wurde bereits 2009 veröffentlicht, seither wurde dieser kontinuierlich weiterentwickelt, heißt es in der Aussendung des Labors.

Vorteile der kalten Temperaturen

Teilchenbeschleuniger nutzen diese tiefen Temperaturen, um supraleitend zu werden. Damit lassen sich Elektronen fast ohne Energieverlust befördern. LCLS-II sei jetzt bereit, Elektronen mit 1 Million Impulsen pro Sekunde zu beschleunigen, was ein Weltrekord wäre, sagt Andrew Burrill vom SLAC-Labor. Die kalte Temperatur sei das erste Mal am 15. April erreicht worden, heißt es. Seit kurzem steht der Laser nun für weitere Einsätze zur Verfügung. 

Dies war dann einer der letzten Meilensteine, die der LCLS-II erreichen musste, bevor er Röntgenpulse erzeugen kann, die im Durchschnitt 10.000-mal heller sind als die seines Vorgängers. Doch wozu ist das eigentlich wichtig? Forscher*innen könnten damit komplexe Materialien genauer als bisher untersuchen.

Das hilft beim Verstehen von Prozessen, bei denen es um die Umwandlung von natürlichen und künstlichen molekularen Systemen von Sonnenlicht in Brennstoffe geht. Außerdem würde man Eigenschaften von Materialien, die fürs Quantencomputing erforderlich sind, besser verstehen können, sagt Burrill.

Helium am Verdampfen hindern

Damit es im Tunnel überhaupt so kalt werden konnte mussten die Forscher*innen das Helium am Verdampfen hindern. Das passierte mit extrem niedrigen Drücken. „Um die Temperatur auf 2 Kelvin zu senken, brauchen wir einen Druck von nur 1/30 des Atmosphärendrucks“, erklärte Eric Fauve vom SLAC-Labor. Dazu verwendete das Team 5 kryogene Zentrifugalkompressoren, die das Helium komprimieren, um es zu kühlen. Durch die Kompression wird Helium nämlich flüssig.

Dieser „urkalte“ Wasserstoff gilt laut LiveScience als „wissenschaftliche Kuriosität“. „Bei 2 Kelvin wird Helium zu einem Superfluid namens Helium II, das außergewöhnliche Eigenschaften hat“, sagt Fauve. Es leitet Wärme dann hundertmal effizienter als Kupfer. Noch niedrigere Temperaturen können nur mit sehr spezialisierten Kühlsystemen erreicht werden, aber nicht mit dem eingesetzten Röntgen-Laser des Labors, so die Expert*innen.