Neuer Kälteweltrekord: Physiker kühlen Objekt unter die „Quantengrenze“

Während die Temperaturen in Deutschland momentan der Schwelle des Erträglichen gefährlich nahe kommen, liefern sich die High-Tech-Labore der Physikinstitute gerade einen Wettlauf um die kälteste Kühlung im Universum. Nachdem bereits vor zwei Jahren in Italien ein neuer Kälteweltrekord aufgestellt wurde, haben nun Physiker vom National Institute of Standards and Technology (NIST) im US-Bundesstaat Maryland nachgelegt:

Mithilfe einer neuen Technik ist es den Forschern um John Teufel gelungen, eine winzige Aluminiumtrommel auf 360 Mikrokelvin oder Minus 273,149 Grad zu kühlen (zum Vergleich: Am Nordpol herrschen lächerliche Minus 89 Grad). Die Temperatur der Alutrommel war damit um die 10.000 Mal kälter als das Vakuum des Weltalls.

„Es ist viel kälter als jede natürlich vorkommende Temperatur irgendwo im Universum", sagte Teufel gegenüber dem NewScientist. In einer Pressemitteilung schreiben die Forscher: „Die Ergebnisse waren eine totale Überraschung für alle Experten auf dem Gebiet."

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Um ein Objekt auf ein derartiges Kältelevel zu drücken, wird es üblicherweise mit einem Laser bestrahlt. Was zunächst überraschen mag, da Licht Atome normalerweise aufwärmt und ihnen Energie zuführt—und sie damit beschleunigt. Doch das Licht, das bei der Laserkühlung zum Einsatz kommt, ist hochorganisiert: Verschiedene, sorgfältig kalibrierte Laserquellen beschießen die Atome des Objekts dergestalt, dass sie ihnen thermische Energie entreißen, anstatt sie mit weiterer zu versorgen. Statt sie aufzuwärmen und zu beschleunigen, verlangsamt der Laser ihre Bewegung. Je organisierter das Licht auftritt, desto effektiver kann es Objekte abkühlen.

Laserkühlung wird in der Physik schon seit Jahrzehnten angewendet, um Objekte, Gase (Atome) oder einzelne Atome in eisige Zustände zu versetzen. Bislang glaubten manche jedoch an eine Grenze, bis zu der man Objekte via Laser herunterkühlen könnte, die so genannte „Quantengrenze".

Mit ihrem Experiment konnte das Team um Teufel nun den Gegenbeweis antreten. Mithilfe „gequetschten" Lichts, das bisher nur in Quantenkryptographie verwendet wurde, aber nicht für Kühlungszwecke, konnte das Team eine bisher unerreichte Kältestufe erreichen.

„Wir zerlegen das Licht auf eine ‚magische' Ebene: in einer ganz bestimmten Richtung und Menge", so Teufel. „Damit können wir perfekt korrelierende Photonen mit stabilerer Intensität erzeugen. Diese Photonen sind fragil und mächtig."

Laut Ansicht der Forscher sei die Methode sogar so mächtig, dass sie theoretisch Objekte auf die absolute Nullgrenze kühlen könnte—eine Temperatur, bei der Materie aller Energie und Bewegung beraubt ist.

Doch was bringt es überhaupt, ein Objekt auf immer niedrigere Temperaturen herunterzukühlen und eine Kälte zu erzeugen, die jenseits menschlicher Vorstellungskraft liegt?

„Dinge massiv herabzukühlen, ist nur eine andere Art zu sagen, dass man ihren Zustand dorthin bringen kann, wo man ihn haben will", erklärt der Stanford-Physiker Amir Safavi-Naeini dem NewScientist. „Es geht darum, die höchste Sensibilität zu erreichen, die die Natur erlaubt."

Zur Erinnerung: Absolute Kälte ist nicht nur kalt—sie ist still. Je kälter ein Körper ist, desto weniger Wärmeenergie durchfließt ihn, desto ruhiger und regungsloser werden seine Atome. Im Universum ist alles in Bewegung. Immer. Nur am absoluten Nullpunkt, bei 0 Kelvin, hören auch die notorisch flattrigen und ewig rastlosen Atome auf, zu springen, zu kollidieren, sich zu drehen. Das heißt je näher man dem Kälte-Nullpunkt kommt, desto leichter kann man Störeffekte wie die Wärmefluktuationen der Atome ignorieren, und desto besser lassen sich Quanteneigentschaften der Körper analysieren.

Die in dem Experiment verwendete Aluminiumtrommel könnte etwa in Quantencomputern zum Einsatz kommen, die Quanten und mechanische Elemente kombinieren. Je kälter die Trommel ist, desto genauer werden die Berechnungen sein.

„Je kälter man die Trommel bekommt, desto besser ist es für jede Anwendung, in der man sie einsetzt", resümiert Teufel. Die Sensoren würden sensibler und Informationen könnten länger gespeichert werden, so der Physiker. „Wenn man die Trommel in einem Quantencomputer verwendet, würde der Computer ohne Verzerrung rechnen, und man würde tatsächlich die Antwort bekommen, die man will."