Techniklexikon

ultratiefe Temperaturen

Supraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik , sehr tiefe Temperaturen unterhalb von ca. 4 K. Obwohl Temperaturen von ca. 80 K (Kelvinskala) schon seit ca. 1880 und unterhalb von 20 K seit 1898 durch die Verflüssigung kryogener Gase erreichbar waren, beginnt die eigentliche Tieftemperaturphysik erst 1908 mit der Verflüssigung von Helium durch Kamerlingh Onnes. Erst in den 20er Jahren des letzten Jh. war flüssiges Helium dann an mehreren Orten verfügbar. Mit der Methode lassen sich Temperaturen bis 4, 2 K erreichen (Siedepunkt des flüssigen Heliums). Durch Pumpen an der Flüssigkeitsoberfläche lässt sich die Temperatur noch weiter absenken. Um praktisch notwendige Arbeitsbedingungen zu garantieren, wird der Temperaturbereich so oft bis etwa 1 K ausgedehnt. Spezielle Gefässe wie das Dewar-Gefäss oder Kryostat (Kryotechnik) sind notwendig, um die Kühlflüssigkeiten effektiv zum Einsatz zu bringen.

Dabei stösst man jedoch auf ein fundamentales Problem: an der sog. l-Linie findet eine Phasenumwandlung statt, die das Abkühlen sehr uneffektiv macht (⁴He, Suprafluidität). Bis 0,3 K hinab kann man das Problem umgehen, indem man zum Kühlen das Isotop ³He verwendet; die Verwendung von ³He-⁴He-Entmischungskühlung ermöglicht kontinuierliche Kühlung bis zu ca. 10 mK.

Mit adiabatischer Kompression von ³He entlang seiner Schmelzkurve (Pomerantschuk-Kühlung) werden Temperaturen bis zu 2 mK erreicht. Für noch tiefere Temperaturen muss man die adiabatische Entmagnetisierung anwenden, die entweder an den Elektronen paramagnetischer Salze wie CMN oder an Atomkernen durchgeführt wird. An Kupferkernen werden so bis ca. 10^-8 K erreicht.

Bei den sehr tiefen Temperaturen ändern sich die Materialeigenschaften aller Stoffe. In vielen Fällen sind die Effekte so drastisch, dass das Material sich nicht zur Verwendung bei tiefen Temperaturen eignet (Essay Tieftemperaturphysik). Oft kommt es zu Phasenübergängen, wie z.B. der Suprafluidität bei Helium oder in den meisten Metallen der Supraleitung, die ebenfalls grosse Konsequenzen auf die Verwendbarkeit haben können.

Es wurden eine Reihe besonderer Methoden zur Temperaturmessung für die tiefen Temperaturten entwickelt (Temperaturmessung, Sekundärthermometer, Fixpunkte). Als Eichpunkte dienen in der Tieftemperaturphysik oft supraleitende Übergänge, die sich durch gute Mess- und Reproduzierbarkeit auszeichnen (z.B. Ir: 140 mK, Be: 26 mK, W: 12 mK).