Seltene Erden statt Helium-3: Diese Legierung kühlt bis nahe an den absoluten Nullpunkt

Für viele Zukunftstechnologien gilt eine ziemlich unromantische Grundregel: Je kälter, desto besser. Quantencomputer, hochempfindliche Sensoren und bestimmte Experimente der Grundlagenphysik funktionieren nur dann zuverlässig, wenn störende Wärme praktisch vollständig verschwindet. Genau hier setzt ein Forschungsteam aus China mit einem neuen Metalllegierungssystem an. Das Material erreicht Temperaturen von 106 Millikelvin, also nur gut ein Zehntelgrad über dem absoluten Nullpunkt, und kommt dabei ohne das seltene Helium-3 aus. Das ist bemerkenswert, weil gerade dieses Isotop bislang als Engpass vieler Ultratiefkühlanlagen gilt.

Ultrakälte ist aufwändig

Temperaturen unter einem Kelvin sind technisch extrem anspruchsvoll. Bisher werden sie meist mit Verdünnungskryostaten erzeugt, die auf einer Mischung aus Helium-3 und Helium-4 beruhen. Solche Systeme sind leistungsfähig, aber auch komplex, groß und teuer. Vor allem Helium-3 ist weltweit knapp verfügbar und damit ein ernstes Problem für Anwendungen, die künftig in größerem Maßstab genutzt werden sollen. Die Forscher:innen sprechen deshalb von einer Abhängigkeit, die die Entwicklung von Quantentechnologien ausbremst.

Schon länger gibt es zwar Ansätze, extreme Kälte durch adiabatische Entmagnetisierung zu erzeugen. Dabei wird ein magnetisches Material erst in einem starken Magnetfeld ausgerichtet und anschließend so verändert, dass es seiner Umgebung Wärme entzieht. Das Problem solcher Festkörperkühlung war bisher aber ein fast schon fieser Widerspruch: Viele geeignete Materialien konnten zwar selbst kalt werden, leiteten die Kälte aber nur schlecht weiter. Die CAS-Mitteilung beschreibt diesen Nachteil anschaulich wie einen „Holzblock“, der innen kalt bleibt, Wärme aber nicht schnell genug ableitet.

Eine Legierung, die Kälte besser transportiert

Genau an dieser Schwäche setzt die neue Legierung EuCo₂Al₉ an, also eine Verbindung aus Europium, Kobalt und Aluminium. Nach Angaben des Teams tritt das Material in einen ungewöhnlichen Zustand ein, den die Forscher:innen als „metallic spin supersolid“ bezeichnen. Entscheidend ist weniger der sperrige Name als die Kombination der Eigenschaften: Das Material kann stark kühlen und gleichzeitig Wärme sehr viel besser transportieren als bisherige magnetokalorische Stoffe. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt laut CAS um das 50- bis 100-Fache über der konventioneller Vergleichsmaterialien.

Im Labor erreichte die Legierung 106 Millikelvin. Das ist nicht nur ein sehr niedriger Wert, sondern laut CAS der niedrigste, der bislang mit einem metallischen magnetokalorischen Material ohne Helium-3 erzielt wurde. Damit rückt eine Festkörperkühlung näher, die kompakter, leichter und potenziell einfacher herzustellen wäre als heutige Anlagen. New Atlas hebt zudem hervor, dass ein solches System ohne bewegliche Teile auskommen könnte.

Sprung für Quantencomputer?

Die mögliche Bedeutung reicht über die Materialforschung hinaus. Wenn sich Ultratiefkühlung ohne Helium-3 tatsächlich praktisch umsetzen lässt, könnten Quantensysteme kleiner, günstiger und weniger infrastrukturlastig werden. Das wäre nicht nur für Rechenzentren und Labore interessant, sondern auch für Anwendungen in der Sensorik, Raumfahrt oder Messtechnik. Die CAS spricht sogar von einem „selbstbestimmten, kontrollierbaren Super-Kühlschrank“ für künftige Quantentechnologien.

Noch ist das kein sofort einsatzbereites Produkt, sondern ein Forschungsergebnis mit großem Versprechen. Aber genau solche Fortschritte entscheiden oft darüber, ob eine Technologie im Labor stecken bleibt oder irgendwann alltagstauglich wird. Im Fall der Quantenforschung könnte ausgerechnet eine neuartige Metalllegierung dafür sorgen, dass extreme Kälte etwas weniger extrem aufwendig wird.

via Chinese Academy of Sciences