Ultrakalte Schaltkreise

Der Kryostat, mit dem die Basler Physiker eine Rekordtemperatur von 220 Mikrokelvin erreichten. In der Bildmitte ist das spezielle Thermometer inklusive Massstab zu sehen (goldenes Rechteck). (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Materialien extrem abzukühlen ist wichtig für die physikalische Grundlagenforschung und technische Anwendungen. Basler Forschern ist es nun gelungen, einen elektrischen Schaltkreis auf einem Chip durch Verbesserung eines speziellen Kühlschranks und eines Niedrigtemperatur-Thermometers auf 220 Mikrokelvin zu kühlen – nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt.

Kühlt man Materialien auf extrem niedrige Temperaturen ab, so verhalten sie sich oft ganz anders als bei Raumtemperatur. Ein bekanntes Beispiel ist die Supraleitung, bei der einige Metalle und andere Stoffe unterhalb einer kritischen Temperatur elektrischen Strom komplett verlustfrei leiten. Bei noch tieferen Temperaturen können dann weitere quantenphysikalische Effekte auftreten, die sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen in Quantentechnologien höchst interessant sind.

Solche Temperaturen – weniger als ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin oder -273.15 Grad Celsius – zu erreichen, ist allerdings äusserst schwierig. Physiker aus der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Dominik Zumbühl an der Universität Basel haben nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des VTT Technical Research Centre in Finnland und der Lancaster University in England einen neuen Niedrig-Temperaturrekord aufgestellt. Ihre Ergebnisse haben sie soeben im Fachjournal Physical Review Research veröffentlicht.

Abkühlen mit Magnetfeldern

«Das Problem ist nicht nur, ein Material stark abzukühlen», erklärt Christian Scheller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Zumbühls Labor, «sondern auch, die extrem tiefen Temperaturen dann verlässlich zu messen.» In ihren Experimenten kühlten die Forscher einen kleinen elektrischen Schaltkreis aus Kupfer auf einem Siliziumchip ab, indem sie ihn zuerst einem starken Magnetfeld aussetzten, dann mit einem als Kryostat bezeichneten speziellen Kühlschrank abkühlten und schliesslich das Magnetfeld langsam herunterfuhren. Dadurch wurden die Kernspins der im Chip enthaltenen Kupferatome anfangs wie kleine Magnete ausgerichtet und am Ende durch die vom Herunterfahren des Magnetfelds herbeigeführte Verringerung ihrer magnetischen Energie effektiv noch weiter abgekühlt.