Der Quantenkühlschrank

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Freien Universität Berlin hat ein völlig neues Kühlkonzept erfunden: Computersimulationen zeigen, wie man Quantenfelder verwenden könnte, um Tieftemperatur-Rekorde zu brechen

Ein internationales Forschungsteam von der Technischen Universität Wien und der Freien Universität Berlin hat ein völlig neues Kühlkonzept auf Grundlage der Quantenphysik erfunden Zwar ist ein einzelnes Atom weder heiß noch kalt, und Temperatur lässt sich nur für Objekte definieren, die aus vielen Teilchen bestehen. Doch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der beiden Universitäten konnten zeigen, welche Möglichkeiten sich ergeben, wenn man Thermodynamik und Quantenphysik miteinander verbindet: Sie nutzten Quanteneffekte gezielt, um eine Wolke aus ultrakalten Atomen noch weiter abzukühlen. An der Entdeckung beteiligt waren auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Singapur und Lissabon. Die Ergebnisse wurde im Fachjournal ,,Physical Review X-Quantum" veröffentlicht.

,,Egal, welche ausgeklügelten Kühlmethoden man vorher schon verwendet hat - mit der neuen Technik kommt man noch ein Stück weiter an den absoluten Nullpunkt heran", sagt Jens Eisert vom Dahlem Center for Complex Quantum Systems der Freien Universität Berlin. ,,Bis aus diesem neuen Kühlkonzept ein echter Quantenkühlschrank entsteht, ist noch einiges an Arbeit nötig, aber erste Experimente zeigen: Die nötigen Schritte sind prinzipiell möglich."

Für klassische mechanische Maschinen spiele die Thermodynamik schon lange eine wichtige Rolle, etwa bei Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren. ,,Heute entwickelt man Quantenmaschinen auf winziger Größenskala, doch dort spielt die Thermodynamik bisher kaum eine Rolle", erklärt Jens Eisert.

,,Wenn man eine Quanten-Wärmemaschine bauen will, muss man zwei Anforderungen erfüllen, die einander grundsätzlich widersprechen", erläutert Professor Marcus Huber vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien. ,,Es muss sich um ein System handeln, das aus vielen Teilchen besteht und in dem man nicht jedes Detail genau kontrollieren kann. Sonst kann man nicht von Wärme sprechen. Und gleichzeitig muss das System einfach und klein genug sowie hinreichend präzise kontrolliert sein, um Quanteneffekte nicht zu zerstören. Sonst kann man nicht von einer Quantenmaschine sprechen." Schon vor drei Jahren schlug Professor Jörg Schmiedmayer vom Vienna Center for Quantum Science and Technology der TU Wien vor, dass man die Quanten-Feld-Beschreibung von Vielteilchen-Quantensystemen verwenden kann, um Grundprinzipien thermischer Maschinen auf Quanten-Systemen zu implementieren.

Das Forschungsteam der TU Wien und Freien Universität Berlin analysierte nun im Detail, wie man all diese Anforderungen verbinden kann, um Quanten-Maschinen zu entwerfen. Dabei orientierten sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Wirkungsprinzip eines gewöhnlichen Kühlschranks: Anfangs hat alles dieselbe Temperatur - der Innenraum des Kühlschranks, die Umgebung und das Kühlmittel. Doch wenn man das Kühlmittel im Inneren des Kühlschranks verdampft, wird dort Wärme entzogen. Die Wärme wird dann außen abgegeben, wenn man das Kühlmittel dort wieder verflüssigt. Man erhöht also den Druck und senkt ihn wieder, und durch dieses Wechselspiel kann man erreichen, dass es innen kälter wird und außen wärmer.

Die Frage war, ob es auch eine Quanten-Version eines solchen Prozesses geben kann. ,,Unsere Idee war, dafür ein Bose-Einstein-Kondensat zu verwenden - einen extrem kalten Materiezustand", sagt Jörg Schmiedmayer. ,,Wir haben in den letzten Jahren viel Erfahrung damit gesammelt, solche Kondensate sehr präzise mithilfe von elektromagnetischen Feldern und Laserstrahlen zu steuern und zu manipulieren; wir haben dabei einige der grundlegenden Phänomene im Grenzbereich von Quantenphysik und Thermodynamik untersucht. Der logische nächste Schritt war dann die Quantenmaschine "

Ein solches Bose-Einstein-Kondensat wird in drei Teile geteilt, die zunächst dieselbe Temperatur haben. ,,Wenn man diese Teilsysteme auf genau die richtige Weise koppelt und wieder voneinander trennt, kann man erreichen, dass der Teil in der Mitte quasi als Kolben agiert und Wärmeenergie von einer Seite auf die andere wandern lässt", erklärt Marcus Huber. ,,Dadurch hat dann am Ende eines der drei Teilsysteme eine niedrigere Temperatur als am Anfang."

Schon zu Beginn ist das Bose-Einstein-Kondensat in einem Zustand sehr niedriger Energie - aber eben nicht im niedrigstmöglichen Energiezustand. Einzelne Energiequanten sind immer noch vorhanden und können von einem Teilsystem ins andere wechseln; der Fachterminus ist ,,Anregungen des Quantenfelds". ,,Diese Anregungen Übernehmen bei uns die Rolle des Kühlmittels", sagt Marcus Huber. ,,Allerdings gibt es fundamentale Unterschiede zwischen unserem System und einem klassischen Kühlschrank: In einem klassischen Kühlschrank kennt der Wärmefluss immer nur eine Richtung - von warm nach kalt. In einem Quantensystem ist das komplizierter, da kann die Energie auch von einem Teilsystem ins andere wechseln und dann wieder zurückkehren. Man muss also sehr genau kontrollieren, wann welche Teilsysteme miteinander verbunden sein sollen und wann nicht."

Bisher ist ein solcher Quantenkühlschrank nur ein theoretisches Konzept - doch in Experimenten wurde bereits gezeigt, dass die nötigen Schritte machbar sind. ,,Nachdem wir nun wissen, dass die Idee grundsätzlich funktioniert, werden wir versuchen, das im Labor umzusetzen", sagt Joao Sabino. ,,Wir hoffen, dass uns das in der nahen Zukunft gelingt."

Nach Einschätzung des Forschungsteams wäre das ein spektakulärer Schritt nach vorn in der Tieftemperaturphysik - denn egal, mit welchen anderen Methoden man extrem tiefe Temperaturen erreicht, den neuartigen ,,Quantenkühlschrank" könnte man am Ende immer noch als finale Zusatz-Kühlstufe hinzufügen, um einen Teil des ultrakalten Systems noch ein bisschen kälter zu machen. ,,Falls es mit kalten Atomen funktioniert, dann kann können unsere Ideen in vielen anderen Quantensystemen umgesetzt werden und zu neuen Quanten-Technologie Anwendungen führen", sagt Jörg Schmiedmayer.


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