30.07.2021

Kühlen mit Quanten

Theoretisches Konzept für eine Quanten-Wärmemaschine entwickelt.

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 konnte man nun, in Zusammen­arbeit mit der Freien Universität Berlin, der Nanyang Techno­logical University in Singapur und der Universität Lissabon, zeigen, welche Möglich­keiten sich ergeben, wenn man Thermodynamik und Quantenphysik miteinander verbindet: Man kann Quanten­effekte gezielt nutzen, um eine Wolke aus ultrakalten Atomen noch weiter abzukühlen. 

Abb.: Joao Sabino und seine Kollegen arbeiten an theo­retischen und...
Abb.: Joao Sabino und seine Kollegen arbeiten an theo­retischen und experi­mentellen Grund­lagen für einen zukünftigen Quanten­kühlschrank. (Bild: TU Wien)

Egal, welche ausge­klügelten Kühlmethoden man vorher schon verwendet hat – mit dieser Technik kommt man noch ein Stück weiter an den absoluten Nullpunkt heran. Bis aus diesem neuen Kühlkonzept ein echter Quanten­kühlschrank entsteht, ist noch einiges an Arbeit nötig, aber erste Experimente zeigen bereits: Die nötigen Schritte sind prinzipiell möglich. „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“ erklärt Jens Eisert von der Freien Universität Berlin. 

„Wenn man eine Quanten-Wärme­maschine bauen will, muss man zwei Anforderungen erfüllen, die einander grund­sätzlich widersprechen“, sagt Marcus Huber vom Atominstitut der TU Wien. „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.“ 

„Schon 2018 kamen wir auf die Idee, die Grund­prinzipien thermischer Maschinen auf Quanten­systeme zu übertragen, indem man Quantenfeld-Beschreibungen von Vielteilchen-Quanten­systemen verwendet“, sagt der Wiener Forscher Jörg Schmiedmayer. Nun untersuchte das Forschungsteam im Detail, wie man solche Quanten-Wärme­maschinen konkret entwerfen kann. Dabei orientierte man 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 Jörg Schmiedmayer. „Wir haben in den letzten Jahren viel Erfahrung damit gesammelt, solche Kondensate sehr präzise mit Hilfe 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.“ 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 Marcus 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 über Anregungen des Quantenfelds ins andere wechseln. „Diese Anregungen übernehmen bei uns die Rolle des Kühlmittels“, sagt Marcus Huber. „Allerdings gibt es fundamentale Unterschiede zwischen unserem System 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. Man muss also sehr genau kontrollieren, wann welche Teilsysteme miteinander verbunden sein sollen und wann nicht.“

Bisher ist dieser Quanten­kühlschrank nur ein theoretisches Konzept – doch in Experimenten wurde bereits gezeigt, dass die nötigen Schritte machbar sind. „Nachdem wir nun wissen, dass die Idee grund­sätzlich funktioniert, werden wir versuchen, das im Labor umzusetzen“, sagt Joao Sabino von der TU Wien. „Wir hoffen, dass uns das in naher Zukunft gelingt.“ Das wäre ein spekta­kulärer 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 Jörg Schmiedmayer.

TU Wien / JOL

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