Quantenkühlschrank für Versuchszwecke entwickelt

Mitarbeiter der Scuola Normale Superiore di Pisa und des ebenfalls in Pisa beheimateten Laboratorio Nest haben einen nanoskopischen Quantenkühlschrank entwickelt. Mithilfe des für Versuchszwecke entworfenen „Quadriot“ lassen sich die komplexen Zusammenhänge zwischen Thermodynamik und Quantenmechanik näher untersuchen.

Temperatur wird übertragen

Vom Prinzip her handelt es sich um ein aus Halbleitern mit extrem kleinen dreidimensionalen Öffnungen bestehendes System mit vier Quantenpunkten. Diese können Ladungsträger wie beispielsweise Elektronen oder Defektelektronen auf ein bestimmntes Energieniveau bringen. „Es hat sich gezeigt, dass der Energieverbund den mit der kältetsten Stelle in Kontakt stehenden Quantenpunkt unter bestimmten Bedingungen auf eine niedrigere Temperatur herunterkühlt“, erklärt Projektleiter Davide Venturelli.

Wie aus dem Funktionsschema erkennbar, ist jeder Quantenpunkt mit einer eigenen Wärmequelle verbunden. Der Apparat ist in der Lage, Wärme von dem kalten und dem warmen Quantenpunkt an die beiden auf Raumtemparatur gehaltenen Quantenpunkte zu übertragen. Auf diese Weise wird der mit dem kalten Quantenpunkt in Verbindung stehende „quantum dot“ auf eine im Vergleich zum Ausgangsniveau niedrigere Temperatur heruntergekühlt. Es handelt sich um nichts anderes als die Extraktion von Wärme aus einem im Systeminneren befindlichen kalten Körpers und den anschließenden Transport zu einem wärmeren im Außenbereich liegenden Punkt.

Breites Anwendungsspektrum

Dies ergibt sich aus der thermodynamischen Gesetzmäßigkeit, dass bei zwei in Temperaturaustausch stehenden Körpern die Wärme automatisch vom wärmeren zum kälteren Punkt fließt. „Die Studie kann zum besseren Verständnis und Beherrschen von Wärmeübertragungen in mikroskopisch kleinen Geräten und somit zu neuen Anwendungen in der Nanoelektronik dienen“, so Venturelli. Einzelheiten der multidisziplinären Forschungsarbeit sind in der Fachzeitschrift Physical Review Letters http://prl.aps.org veröffentlicht.