Neues Kühlkonzept mit Quantentechnologie Ein Quantum kühler

Der absolute Nullpunkt ist die tiefstmögliche Temperatur überhaupt. Praktisch ist und bleibt sie zwar unerreicht, doch ein neues Konzept könnte in Zukunft so nah an sie herankommen wie nie zuvor: Ein „Quantenkühlschrank“, den ein internationales Team mit Forschern der TU Wien bauen will.

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Technische Universität Wien

Wien/Österreich – Auf den ersten Blick haben Wärme und Kälte nicht viel mit Quantenphysik zu tun. Ein einzelnes Atom ist weder heiß noch kalt. Temperatur lässt sich nur für Objekte definieren, die aus vielen Teilchen bestehen. Doch an der TU Wien haben Forscher nun gezeigt, welche Möglichkeiten sich ergeben, wenn man Thermodynamik und Quantenphysik miteinander verbindet: Quanteneffekte lassen sich gezielt nutzen, um eine Wolke aus ultrakalten Atomen noch weiter abzukühlen.

Egal, welche ausgeklügelten Kühlmethoden vorher schon zum Einsatz gekommen sind – mit diesem neuen Ansatz rückt die tiefstmögliche erzeugte Temperatur noch ein Stückchen näher an den absoluten Nullpunkt heran. Bis aus dem Kühlkonzept aber ein echter Quantenkühlschrank entsteht, ist noch einiges an Arbeit nötig. Erste Experimente belegen immerhin die prinzipielle Machbarkeit dieses Verfahrens.

Ein Kühlschrank mit Widersprüchen

Mit dem Einsatz von Quantentechnologie würden sich neue Möglichkeiten der Kühlung eröffnen, aber auch neue Herausforderungen zu bewältigen sein. „Für klassische mechanische Maschinen spielt die Thermodynamik schon lange eine wichtige Rolle – man denke etwa an Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren. Heute entwickelt man Quantenmaschinen auf winziger Größenskala, doch dort spielt die Thermodynamik bisher kaum eine Rolle“, sagt Prof. Eisert von der Freien Universität Berlin.

Welche Probleme beim Bau eines Quanten-Kühlschranks zu erwarten sind, beschreibt Prof. Marcus Huber vom Atominstitut der TU Wien: „Wenn man eine Quanten-Wärmemaschine bauen will, muss man zwei Anforderungen erfüllen, die einander grundsätzlich widersprechen: Es muss sich um ein System handeln, das aus vielen Teilchen besteht, und in dem man nicht jedes Detail genau kontrollieren kann. Sonst kann man nicht von Wärme sprechen. Und gleichzeitig muss das System einfach genug und hinreichend präzise kontrollierbar sein, um Quanteneffekte nicht zu zerstören. Sonst kann man nicht von einer Quantenmaschine sprechen.“

Kältekarte der Erde

Die tiefsten Temperaturen der Welt

Das Kühlprinzip auf Quantenebene übertragen

Schon 2018 kam das Team aus Forschern der TU Wien, der Freien Universität Berlin, der Nanyang Technological University in Singapur und der portugiesischen Universität Lissabon auf die Idee, die Grundprinzipien thermischer Maschinen auf Quantensysteme zu übertragen. Dazu verwendeten sie Quantenfeld-Beschreibungen von Vielteilchen-Systemen

Nun untersuchten die Wissenschaftler der TU Wien und der FU Berlin im Detail, wie man solche Quanten-Wärmemaschinen konkret entwerfen kann. Dabei orientierten sie sich am Wirkungsprinzip eines gewöhnlichen Kühlschranks: Anfangs hat alles dieselbe Temperatur – der Innenraum des Kühlschranks, die Umgebung und das Kühlmittel. Doch wenn man das Kühlmittel im Inneren des Kühlschranks verdampft, wird dort Wärme entzogen. Die Wärme wird dann außen abgegeben, wenn man das Kühlmittel dort wieder verflüssigt. Man erhöht also den Druck und senkt ihn wieder, und durch dieses Wechselspiel kann man erreichen, dass es innen kälter wird und außen wärmer.

Die Frage war, ob es auch eine Quanten-Version eines solchen Prozesses geben kann. „Unsere Idee war, dafür ein Bose-Einstein-Kondensat zu verwenden – einen extrem kalten Materiezustand“, sagt Prof. Jörg Schmiedmayer von der TU Wien. „Wir haben in den letzten Jahren viel Erfahrung damit gesammelt, solche Kondensate sehr präzise mithilfe von elektromagnetischen Feldern und Laserstrahlen zu steuern und zu manipulieren und dabei einige der grundlegenden Phänomene im Grenzbereich von Quantenphysik und Thermodynamik untersucht. Der logische nächste Schritt war dann die Quanten-Wärmemaschine.“

Energie-Umverteilung auf Atom-Niveau

Ein solches Bose-Einstein-Kondensat wird in drei Teile geteilt, die zunächst dieselbe Temperatur haben. „Wenn man diese Teilsysteme auf genau die richtige Weise koppelt und wieder voneinander trennt, kann man erreichen, dass der Teil in der Mitte quasi als Kolben agiert und Wärmeenergie von einer Seite auf die andere wandern lässt“, erklärt Huber. „Dadurch hat dann am Ende eines der drei Teilsysteme eine niedrigere Temperatur als am Anfang.“

Schon zu Beginn ist das Bose-Einstein-Kondensat in einem Zustand sehr niedriger Energie – aber eben nicht ganz im niedrigstmöglichen Energiezustand. Einzelne Energiequanten sind immer noch vorhanden und können von einem Teilsystem ins andere wechseln – man spricht von „Anregungen des Quantenfelds“.

„Diese Anregungen übernehmen bei uns die Rolle des Kühlmittels“, sagt der Physiker. Allerdings gebe es fundamentale Unterschiede zwischen dem Quanten-Kühlschrank und einem klassischen Kühlschrank: In einem klassischen Kühlschrank kennt der Wärmefluss immer nur eine Richtung – von warm nach kalt. In einem Quantensystem ist das komplizierter, da kann die Energie auch von einem Teilsystem ins andere wechseln und dann wieder zurückkehren, wie der Experte erklärt. „Man muss also sehr genau kontrollieren, wann welche Teilsysteme miteinander verbunden sein sollen und wann nicht.“

Theorie bestätigt, Praxis steht aus

Bisher ist der Quantenkühlschrank nur ein theoretisches Konzept. Nachdem die Forscher aber die Machbarkeit nachgewiesen haben, wollen sie als nächstes versuchen, den Quantenkühlschrank auch im Labor umzusetzen. Das wäre ein bedeutsamer Schritt nach vorne in der Tieftemperaturphysik – denn egal, mit welchen anderen Methoden man extrem tiefe Temperaturen erreicht, den neuartigen Quantenkühlschrank könnte man am Ende immer noch als finale Zusatz-Kühlstufe hinzufügen, um einen Teil des ultrakalten Systems noch ein bisschen kälter zu machen. „Falls es mit kalten Atomen funktioniert, dann können unsere Ideen in vielen anderen Quantensystemen umgesetzt werden und zu neuen Quantentechnologie Anwendungen führen“, sagt Schmiedmayer.

Originalpublikation: M. Gluza et al.: Quantum Field Thermal Machines, PRX Quantum, Vol. 2, Iss. 3 — July - September 2021; DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.030310

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