Kühlschrank aus Licht und Glas

Kühlschrank aus Licht und Glas

Allein mit Laserlicht lässt sich ein spezielles Fluoridglas auf frostige minus 65 Grad Celsius abkühlen.

Der aus Deutschland stammende Physiker Peter Pringsheim (1881-1963) hatte 1929 eine Arbeit mit dem Titel „Zwei Bemerkungen über den Unterschied von Lumineszenz- und Temperaturstrahlung“ veröffentlich. Darin diskutierte Pringsheim, der ein Schwager von Thomas Mann war, die Möglichkeit, mit einfarbigem Licht Materie zu kühlen. In einem geeigneten transparenten Material sollte sich ein nahezu monochromatischer Lichtstrahl unter Ausnutzung der Anti-Stokes-Fluoreszenz in kurzwelligeres Fluoreszenzlicht umwandeln lassen. Die nötige Energie würde dabei dem Material entzogen, das sich daraufhin abkühlen sollte.

Diese Idee stieß zunächst auf Skepsis, da man vermutete, dass die Lichtkühlung den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzten würde. Doch Lev Landau konnte zeigen, dass die Entropieabnahme bei der Kühlung des Materials mehr als wettgemacht wird durch die Entropiezunahme des Lichtes, das seine Einfarbigkeit, Bündelung und Phasenkohärenz verliert. Vor zehn Jahren gelang es Forschern am Los Alamos National Lab, Pringsheims Idee in die Tat umzusetzen. Richard Epstein und seine Mitarbeiter hatten mit infrarotem Laserlicht einen Zylinder aus Ytterbium-dotiertem Schwermetallfluoridglas um etwa 1 Grad Celsius abgekühlt. Jetzt berichten die Forscher, dass sie ihren Glaszylinder von Zimmertemperatur auf eine Rekordtemperatur von minus 65 Grad Celsius abkühlen konnten.

Der benutzte Glaszylinder war 8 Millimeter breit und hoch. Seine Endflächen waren verspiegelt und sein Mantel war mit einer dielektrischen Beschichtung versehen. Um den Glaszylinder thermisch von seiner Umgebung zu isolieren, wurde er an zehn dünnen Glasfasern berührungslos in einem evakuierten Hohlzylinder aus Kupfer aufgehängt. Auf einer der beiden verspiegelten Flächen des Glaszylinders war ein Objekt angebracht, das gekühlt werden sollte und dessen Temperatur gemessen wurde. In der anderen verspiegelten Zylinderfläche war ein winziges Loch. Das Licht eines Diodenlasers wurde mit Hilfe einer Glasfaser durch dieses Loch in das Innere des Glaszylinders geleitet. Hier wurde das Licht vielfach zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert. An der dielektrischen Beschichtung des Zylindermantels wurde das Licht totalreflektiert und so daran gehindert, seitlich aus dem Zylinder zu entweichen.

Bei einer Laserwellenlänge von 1026 nm wurde der Glaszylinder zu besonders intensiver Fluoreszenz angeregt. Dabei wurden Elektronen, die aus ihrem Grundzustand durch ein thermisches Phonon angeregt worden waren, durch ein Laserphoton auf eine höhere Energie gebracht, wo sie erneut durch ein Phonon angeregt wurden. Anschließend fielen die Elektronen in den Grundzustand zurück, wobei sie ein kurzwelliges Fluoreszenzphoton abgaben. Dann konnte der Zyklus „Phonon-Photon-Phonon-Fluoreszenzphoton“ erneut beginnen. Die Spiegel und die Beschichtung des Glaszylinders waren so gewählt, dass das Fluoreszenzlicht sofort aus ihm entweichen konnte. Es wurde von einer speziellen Beschichtung des umgebenden Kupferhohlzylinders absorbiert und in Wärme umgewandelt. Um zu verhindern, dass sich der Kupferhohlzylinder erwärmte, wurde er auf Zimmertemperatur gekühlt.

Da dem Glaszylinder für jedes erzeugte Fluoreszenzphoton zwei thermische Phononen entzogen wurden, kühlte er sich ab. Nach drei Stunden Lichtkühlung mit einer Laserleistung von 9,6 W erreichten der Glaszylinder und das an ihm befestigte Objekt eine Temperatur von 208 K! Die Forscher sind zuversichtlich, dass man mit ihrem patentierten Verfahren noch wesentlich tiefere Temperaturen erreichen kann. Dazu müsste man vor allem die Erzeugung des Fluoreszenzlichtes effizienter machen, denn ein großer Teil der angeregten Elektronen gibt seine Energie nicht als Fluoreszenzstrahlung ab sondern als Wärme. Aber auch die Absorption des Laserlichts durch Störstellen im Glas oder Fehler in der dielektrischen Beschichtung des Glaszylinders trägt zur Wärmeerzeugung bei. Ließe sich die Wärmeproduktion halbieren, so könnte man Temperaturen von 160 K erreichen, wie Modellrechnungen zeigen, ja sogar Temperaturen von 80 K scheinen theoretisch möglich.

Der kleine Kühlschrank aus Licht und Glas hat eine Reihe von Vorzügen gegenüber konventionellen Modellen. Er kommt ohne Kühlflüssigkeit, bewegte Teile, elektrische Ströme und Magnetfelder aus. Er vibriert nicht, ist robust und lässt sich in elektronische Schaltungen integrieren. Deshalb eignet er sich besonders zur Kühlung von Strahlungsdetektoren und Elektronik auf der Erde und im Weltraum.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Thiede et al.: Cooling to 208 K by optical refrigeration. Appl. Phys. Lett. 86, 154107 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.1900951 
• Los Alamos Solid-State Optical Refrigerator Program:
  http://nis-www.lanl.gov/projects/lassor/cooling.html 
• “Laser cooling of solids” von Carl Mungan:
  http://usna.edu/Users/physics/mungan/Publications/synopsis.html 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. mit Hilfe der Kategorieverknüpfung Optik und Laser+Publikationen.

Weitere Literatur:

• B. C. Edwards et al.: Demonstration of a Solid-State Optical Cooler: An Approach to Cryogenic Refrigeration. J. Applied Physics 86, 6489 (1999).
  http://nis-www.lanl.gov/projects/lassor/pub15.pdf (frei!) 
• B. C. Edwards et al.: Development of the Los Alamos Solid-State Optical Refrigerator. Review of Scientific Instruments 69, 2050 (1998).
  http://nis-www.lanl.gov/projects/lassor/pub10.pdf (frei!) 
• Carl E. Mungan: Radiation thermodynamics with applications to lasing and fluorescent cooling. Am. J. Phys. 73, 315 (2005).
  http://usna.edu/Users/physics/mungan/Publications/AJP2.pdf