Tieftemperaturphysik

Gegenstand und Bedeutung

Die Tieftemperaturphysik ist das Teilgebiet der Physik, das Vorgänge in kalter Materie untersucht. Ihr Arbeitsbereich liegt nahe am absoluten Nullpunkt der Temperaturskala, also nahe 0 Kelvin beziehungsweise −273,15 Grad Celsius. Eine feste Temperaturgrenze, ab der Tieftemperaturphysik beginnt, gibt es nicht. Unterhalb von 1 K spricht man häufig von ultratiefen Temperaturen.

Experimente in diesem Gebiet verwenden oft Kryoflüssigkeiten, also stark abgekühlte, verflüssigte Gase. Besonders wichtig sind flüssiger Stickstoff mit einem Siedepunkt von 77,4 K und flüssiges Helium mit einem Siedepunkt von 4,21 K. Tiefe Temperaturen sind wissenschaftlich bedeutsam, weil Materie dort Eigenschaften zeigen kann, die bei höheren Temperaturen nicht auftreten, beispielsweise Supraleitung, Suprafluidität und Bose-Einstein-Kondensation.

Historische Entwicklung

Das Erreichen immer tieferer Temperaturen war häufig mit grundlegenden physikalischen Entdeckungen verbunden, darunter die Entdeckung der Supraleitung. Als Begründer der modernen Tieftemperaturphysik gilt Heike Kamerlingh Onnes. Ihm gelang 1908 in Leiden erstmals die Verflüssigung von Helium.

Die technische Entwicklung ermöglicht inzwischen Temperaturen von nur wenigen Tausendstel Kelvin. Im Jahr 2017 kühlten Schweizer Physiker einen Chip für sieben Stunden auf weniger als 3 mK ab. Die Einheit Millikelvin (mK) bezeichnet ein Tausendstel Kelvin.

Kühlverfahren

Zum Erreichen tiefer Temperaturen gibt es verschiedene Verfahren, die für unterschiedliche Temperaturbereiche geeignet sind:

• Beim Kühlkreislauf nach Carl von Linde wird das Gegenstromprinzip genutzt.

• Die Gasverflüssigung nach Carl von Linde beruht auf dem Joule-Thomson-Effekt.

• Weitere technische Verfahren sind die Gaskreislaufkühlung und die Verdampfungskühlung. Mit Verdampfungskühlung lassen sich Temperaturen von einigen 100 Millikelvin erreichen.

• Die Kühlung mithilfe des Pomeranchuk-Effekts erreicht wenige Millikelvin.

• Auch die ³He-⁴He-Entmischungskühlung arbeitet im Bereich weniger Millikelvin. Dabei werden die beiden Heliumisotope ³He und ⁴He verwendet.

• Magnetische Kühlung ermöglicht Temperaturen von wenigen Millikelvin bis hinab zu einigen Mikrokelvin. Ein Mikrokelvin (μK) ist ein Millionstel Kelvin.

• Laserkühlung und Sisyphuskühlung dienen ebenfalls zur starken Abkühlung.

• Ein weiteres Verfahren ist die evaporative Kühlung.

Die genannten Methoden unterscheiden sich sowohl in ihrem physikalischen Wirkprinzip als auch in den erreichbaren Temperaturbereichen.

Messung extrem tiefer Temperaturen

Die thermodynamische Größe Temperatur kann bislang mit keiner bekannten Methode direkt gemessen werden. Tiefe Temperaturen werden deshalb über andere messbare Eigenschaften bestimmt. Besonders häufig nutzt man den Dampfdruck verflüssigter Gase wie Helium (He), Wasserstoff (H₂) oder Stickstoff (N₂), weil dieser von der Temperatur abhängt.

Die derzeit gültige Temperaturskala ITS-90 deckt den Bereich von 0,65 bis 1350 K ab. Für noch tiefere Temperaturen gibt es die provisorische Skala PLTS-2000. Sie reicht bis 0,9 mK hinab. Dieser Wert entspricht der Néel-Temperatur von festem ³He.

Je nach Temperaturbereich und den Möglichkeiten des Experiments kommen Primärthermometer oder Sekundärthermometer zum Einsatz. Primärthermometer bestimmen die Temperatur anhand grundlegender physikalischer Zusammenhänge. Sekundärthermometer verwenden eine andere temperaturabhängige Messgröße und müssen entsprechend einer Temperaturskala kalibriert werden.

Besondere Erscheinungen

Bei sehr niedrigen Temperaturen treten besondere Zustände und Vorgänge auf:

• Supraleitung: Viele Stoffe verlieren bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand. Elektrischer Strom kann dann ohne den gewöhnlichen Widerstandsverlust fließen.

• Suprafluidität: Die Heliumisotope ³He und ⁴He können bei ausreichend tiefen Temperaturen reibungsfrei fließen.

• Bose-Einstein-Kondensation: Sie gehört ebenfalls zu den Vorgängen, die bei tiefen Temperaturen beobachtet werden.

Diese Erscheinungen zeigen, dass sich die Eigenschaften von Materie in der Nähe des absoluten Nullpunkts grundlegend verändern können.