Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit super-schweren Elektronen zum absoluten Nullpunkt

12.09.2016

Neu entwickeltes Quantenmaterial ermöglicht deutlich effizientere Entmagnetisierungskühlung

Um sehr tiefe Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt bei −273.16 °C zu erzeugen, werden magnetische Materialien adiabatisch, also ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, durch Abschaltung eines äußeren Magnetfelds entmagnetisiert.


Verlauf der Temperatur eines Yb0.81Sc0.19Co2Zn20 Einkristalls bei Reduktion des Magnetfelds von 8 auf 0 Tesla.

© Universität Augsburg, IFP/EP VI

Bislang kommen hierzu verdünnte magnetische Salze zum Einsatz. Forscher aus Augsburg, Göttingen, Kyoto und von der Iowa State University berichten in „Science Advances“ über eine von ihnen entwickelte neue metallische Verbindung mit super-schweren Elektronen, deren Kühleffizienz diejenige der bei der adiabatischen Entmagnetisierung bisher verwendeten magnetischen Salze signifikant übersteigt.

In der Grundlagenforschung werden sehr tiefe Temperaturen benötigt, um neuartige Quanteneigenschaften von Materialien zu untersuchen oder empfindliche Teilchendetektoren zu betreiben. Meist wird das sehr seltene 3-He-Gas als Kühlmittel verwendet. Es weist den niedrigsten Siedepunkt aller Stoffe auf, ist aber sehr teuer. Sein Preis hat sich in der letzten Dekade mehr als verzehnfacht.

Gängig: die abiabatische Entmagnetisierung magnetischer Salze

Eine preisgünstige und unkomplizierte Alternative zu 3-He-Gas ist das Kühlverfahren der adiabatischen Entmagnetisierung. Hier dienen zum Kühlen magnetische Salze, deren Momente nur sehr schwach wechselwirken, so dass sie sich ohne Magnetfeld erst bei ganz tiefen Temperaturen regelmäßig anordnen, wohingegen sie sich durch ein angelegtes Magnetfeld auch bei höheren Temperaturen ausrichten lassen.

Das Maß für die Unordnung bzw. Nicht-Anordnung der Momente in einem Material ist die sog. Entropie. Um die Entropie der bei der adiabatischen Entmagnetisierung als Kühlsubstanz verwendeten magnetischen Salze so weit wie möglich zu senken, wird sie hier in einem ersten Arbeitsschritt durch Anlegen eines Magnetfelds stark reduziert.

Anschließend wird das Feld adiabatisch, also ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, wieder herausgefahren, um die Entropie konstant und somit also sehr niedrig zu halten. Da diese niedrige Entropie nach Herausfahren des Magnetfelds sehr tiefe Temperaturen voraussetzt, kühlen sich die magnetischen Salze bei diesem Prozess nun stark ab, um die benötigten sehr tiefen Temperaturen zu erreichen.

Signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads

Kommerzielle Entmagnetisierungskühler, die nach diesem Prinzip funktionieren, verwenden bislang verdünnte magnetische Salze. Deren Wärmeleitfähigkeit ist jedoch so schlecht, dass sie in ein feines Geflecht aus Metalldrähten eingebracht werden müssen, was den Wirkungsgrad des Kühlstoffs pro Volumen erheblich reduziert. Hier setzten die Augsburger Physiker und ihre Kollegen von der Universität Göttingen, der Kyoto University und der Iowa State University, Ames, an: Mit der Entwicklung der neuen magnetischen metallischen Legierung (Yb1-xScx)Co2Zn20 ist es ihnen gelungen, die Voraussetzung für eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads der Entmagnetisierungskühlung zu schaffen.

Normalerweise tritt beim Abkühlen magnetischer Metalle entweder magnetische Ordnung auf oder die magnetischen Momente werden durch die Leitungselektronen abgeschirmt und damit unwirksam. Beides bewirkt, dass die Entropie bereits bei hoher Temperatur stark reduziert ist, was eine Entmagnetisierungskühlung zu tiefen Temperaturen unmöglich macht. „Unser Ziel war es deshalb, beide Effekte zu verhindern, um erstmals mit einem magnetischen Metall eine effektive Entmagnetisierungskühlung zu erreichen“, so Prof. Dr. Philipp Gegenwart, der Augsburger Leiter des Forschungsprojekts.

Ausbildung super-schwerer Elektronen bei sehr tiefen Temperaturen

Das neu entwickelte (Yb1-xScx)Co2Zn20 bringt die Voraussetzungen mit, um diese Eigenschaft zu erfüllen: Im Teilbild der beigefügten Grafik ist zu erkennen, dass in dieser Legierung die magnetischen Yb-Momente von Käfigen aus Zn-Atomen umgeben sind. Diese Anordnung ist entscheidend: Sie erschwert einerseits die Abschirmung der magnetischen Momente durch Leitungselektronen, andererseits aber auch die magnetische Ordnung der Momente. Hierdurch bilden sich super-schwere Elektronen bei sehr tiefen Temperaturen aus. Eine leichte Verdünnung der Yb-Plätze durch nicht-magnetische Sc-Atome bewirkt, dass Ordnung gerade am absoluten Nullpunkt einsetzt. Dieser „Quantenkritische Punkt“ im optimierten Material ermöglicht es im Prinzip, bis zum absoluten Nullpunkt zu kühlen.

Sogar bis unter 0.03 K

Die soeben in „Science Advances“ publizierten Daten zeigen, dass sich die von Gegenwart und seinem internationalen Team entwickelte neue Verbindung bei der adiabatischen Entmagnetisierung während des Herausfahrens des Magnetfelds extrem stark abkühlt – sogar bis unter die im Versuchsaufbau tiefste messbare Temperatur von 0.03 K. Kühleffizienz und Wärmeleitfähigkeit des neuen Materials sind damit signifikant besser als bei den bislang verwendeten magnetischen Salzen. Dass das neu entwickelte Material von großem Interesse ist, wenn es um die Verbesserung von Kühlapparaturen bei sehr tiefen Temperaturen geht, liegt also auf der Hand.

Publikation:
Y. Tokiwa, B. Piening, H. S. Jeevan, S. L. Bud’ko. P. C. Canfield, P. Gegenwart, Super-heavy electron material as metallic refrigerant for adiabatic demagnetization cooling. Sci. Adv. 2, e1600835 (2016).


Ansprechpartner:
Prof. Dr. Philipp Gegenwart
Lehrstuhl für Experimentalphysik VI/EKM
Institut für Physik / Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821/598-3650
philipp.gegewart@physik.uni-augsburg.de

Weitere Informationen:

http://advances.sciencemag.org/content/advances/2/9/e1600835.full.pdf

Klaus P. Prem | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-augsburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie