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Hochfeld-Mikrokelvinanlage erreicht 25 µK

Mit der Fertigstellung und erfolgreichen Erprobung der Berliner Mikrokelvinanlage besteht nun in der PTB die Möglichkeit, Temperaturen von nur einigen millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu erzeugen. Darüber hinaus kann in diesem Temperaturbereich das Verhalten kondensierter Materie in hohen Magnetfeldern untersucht werden.

Festkörpertemperaturen, die an der 105-mol-Kupfer-Kernstufe der Berliner Mikrokelvinanlage mittels Pt-NMR gemessen wurden. Die erreichte Minimaltemperatur beträgt 23,3 µK. Die rote Linie zeigt den für die thermodynamisch optimierte Entmagnetisierungsfunktion berechneten Temperaturverlauf.

Die neuartige Dreifach-Kernstufe, die in Kooperation mit dem Dresdener Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme entwickelt worden ist, besteht aus konzentrisch angeordneten Zylindern aus hochreinem Kupfer und Aluminium. Mit ihr erreicht man mittels adiabatischer Entmagnetisierung der Kernmomente von 8,5 Tesla auf einige Millitesla die Abkühlung einer „Nutzlast“ auf Temperaturen im unteren Mikrokelvinbereich.

In ersten Tests konnten mit Hilfe einer thermodynamisch optimierten Entmagnetisierungsfunktion bereits Festkörpertemperaturen von unter 25 µK erzielt und für mehrere Stunden aufrecht erhalten werden. Aufwendige Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung und HF-Schirmung sowie das durch geeignete Materialauswahl minimierte interne Wärmeleck haben den Wärmeeintrag auf weniger als 1,5 nW reduziert.

Der konzentrische Aufbau der Dreifach-Kernkühlstufe erlaubt durch eine effektivere Ausnutzung des Feldes des ersten Magneten den Einsatz eines zweiten großen Magneten unterhalb der Kernstufe. In diesem Magneten mit hoher Feldhomogenität kann dann das Verhalten ultrakalter Materie in Magnetfeldern bis zu 9 Tesla untersucht werden – eine in dieser Form derzeit einzigartige Experimentierumgebung.

Im Fokus der Untersuchungen mit Kooperationspartnern aus Dresden, Heidelberg und Berlin stehen magnetfeldinduzierte makroskopische Quanteneffekte und grundlegende metrologische Fragen zur Definition und Messung der Basisgröße Temperatur sowie ihrer quantenmechanischen Grenzen.

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