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 Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik
20.07.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics