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Tieftemperaturphysik: Kälterekord dank Maxwells Dämon

Auf einem Gedankenexperiment aus dem 19. Jahrhundert beruht ein neues Kühlverfahren, das Gasatome auf zuvor unerreicht tiefe Temperaturen bringt. Derart nahe dem absoluten Nullpunkt erwarten die Physiker überraschende Entdeckungen sowie nützliche Anwendungen.
Maxwellscher DämonLaden...
Während Sie diese Worte lesen, schwirren Luftmoleküle mit mehr als 3000 Kilometer pro Stunde – schneller als Gewehrkugeln – um Sie herum und bombardieren Sie von allen Seiten. Zugleich vibrieren, taumeln und kollidieren die Atome und Moleküle Ihres Körpers unentwegt. In der Natur bleibt nichts jemals absolut ruhig, und je schneller sich die Dinge bewegen, desto größer ist ihre Energie. Die mittlere Energie von großen Atom- und Molekülmengen empfinden wir als Wärme.

Völlige Ruhe entspräche dem absoluten Nullpunkt der Temperatur. Diese Grenze ist zwar prinzipiell unerreichbar, aber Forscher haben sich ihr immer mehr genähert. Hier, in diesem Extrembereich, machen sich seltsame Quanteneffekte bemerkbar und erzeugen neuartige Materiezustände. Insbesondere verhalten sich die Atome einer Gaswolke, die auf winzige Bruchteile eines Grads über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde, wie Wellen. Ihr Quantenverhalten ermöglicht den Bau präzisester Messinstrumente und Atomuhren.

Es ist nicht leicht, Atome und Moleküle quasi festzunageln und zu manipulieren. Typischerweise erzeugen die Forscher dazu zunächst ein verdünntes Gas, indem sie einen Festkörper erhitzen oder mit einem Laser verdampfen. Dann muss das Gas verlangsamt, in eine Vakuumkammer gesperrt und von deren Wänden ferngehalten werden.

Leider lassen sich solche Kühlverfahren nur auf einige wenige Elemente im Periodensystem anwenden. Zum Beispiel ließ sich Wasserstoff, das einfachste Atom überhaupt, lange Zeit nur äußerst schwer kühlen. Doch jetzt hat meine Forschergruppe eine neue Methode entwickelt, die bei den meisten Elementen und bei vielen Molekültypen funktioniert...

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