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123/16–12.September2016
Aktuellin„ScienceAdvances“:
Mitsuper-schwerenElektronenzumabsoluten
Nullpunkt
NeuentwickeltesQuantenmaterialermöglichtdeutlicheffizientere
Entmagnetisierungskühlung
Augsburg/PhG/KPP–UmsehrtiefeTemperaturenknappüberdemabsolutenNullpunktbei
−273.16°Czuerzeugen,werdenmagnetischeMaterialienadiabatisch,alsoohneWärmeaustausch
mitderUmgebung,durchAbschaltungeinesäußerenMagnetfeldsentmagnetisiert.Bislang
kommenhierzuverdünntemagnetischeSalzezumEinsatz.ForscherausAugsburg,Göttingen,
KyotoundvonderIowaStateUniversityberichtenin„ScienceAdvances“übereinevonihnen
entwickelteneuemetallischeVerbindungmitsuper-schwerenElektronen,derenKühleffizienz
diejenigederbeideradiabatischenEntmagnetisierungbisherverwendetenmagnetischenSalze
signifikantübersteigt.
InderGrundlagenforschungwerdensehrtiefeTemperaturenbenötigt,umneuartige
QuanteneigenschaftenvonMaterialienzuuntersuchenoderempfindlicheTeilchendetektorenzu
betreiben.Meistwirddassehrseltene3-He-GasalsKühlmittelverwendet.Esweistden
niedrigstenSiedepunktallerStoffeauf,istabersehrteuer.SeinPreishatsichinderletzten
Dekademehralsverzehnfacht.
Gängig:dieabiabatischeEntmagnetisierungmagnetischerSalze
EinepreisgünstigeundunkomplizierteAlternativezu3-He-GasistdasKühlverfahrender
adiabatischenEntmagnetisierung.HierdienenzumKühlenmagnetischeSalze,derenMomente
nursehrschwachwechselwirken,sodasssiesichohneMagnetfelderstbeiganztiefen
Temperaturenregelmäßiganordnen,wohingegensiesichdurcheinangelegtesMagnetfeldauch
beihöherenTemperaturenausrichtenlassen.DasMaßfürdieUnordnungbzw.NichtAnordnungderMomenteineinemMaterialistdiesog.Entropie.UmdieEntropiederbeider
adiabatischenEntmagnetisierungalsKühlsubstanzverwendetenmagnetischenSalzesoweit
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wiemöglichzusenken,wirdsiehierineinemerstenArbeitsschrittdurchAnlegeneines
Magnetfeldsstarkreduziert.AnschließendwirddasFeldadiabatisch,alsoohne
WärmeaustauschmitderUmgebung,wiederherausgefahren,umdieEntropiekonstantund
somitalsosehrniedrigzuhalten.DadieseniedrigeEntropienachHerausfahrendesMagnetfelds
sehrtiefeTemperaturenvoraussetzt,kühlensichdiemagnetischenSalzebeidiesemProzess
nunstarkab,umdiebenötigtensehrtiefenTemperaturenzuerreichen.
SignifikanteVerbesserungdesWirkungsgrads
KommerzielleEntmagnetisierungskühler,dienachdiesemPrinzipfunktionieren,verwenden
bislangverdünntemagnetischeSalze.DerenWärmeleitfähigkeitistjedochsoschlecht,dasssie
ineinfeinesGeflechtausMetalldrähteneingebrachtwerdenmüssen,wasdenWirkungsgraddes
KühlstoffsproVolumenerheblichreduziert.HiersetztendieAugsburgerPhysikerundihre
KollegenvonderUniversitätGöttingen,derKyotoUniversityundderIowaStateUniversity,
Ames,an:MitderEntwicklungderneuenmagnetischenmetallischenLegierung(Yb1xScx)Co2Zn20istesihnengelungen,dieVoraussetzungfüreinesignifikanteVerbesserungdes
WirkungsgradsderEntmagnetisierungskühlungzuschaffen.
NormalerweisetrittbeimAbkühlenmagnetischerMetalleentwedermagnetischeOrdnungauf
oderdiemagnetischenMomentewerdendurchdieLeitungselektronenabgeschirmtunddamit
unwirksam.Beidesbewirkt,dassdieEntropiebereitsbeihoherTemperaturstarkreduziertist,
waseineEntmagnetisierungskühlungzutiefenTemperaturenunmöglichmacht.„UnserZielwar
esdeshalb,beideEffektezuverhindern,umerstmalsmiteinemmagnetischenMetalleine
effektiveEntmagnetisierungskühlungzuerreichen“,soProf.Dr.PhilippGegenwart,der
AugsburgerLeiterdesForschungsprojekts.
Ausbildungsuper-schwererElektronenbeisehrtiefenTemperaturen
Dasneuentwickelte(Yb1-xScx)Co2Zn20bringtdieVoraussetzungenmit,umdieseEigenschaftzu
erfüllen:ImStruktur-Schaubildistzuerkennen,dassindieserLegierungdiemagnetischenYbMomentevonKäfigenausZn-Atomenumgebensind.DieseAnordnungistentscheidend:Sie
erschwerteinerseitsdieAbschirmungdermagnetischenMomentedurchLeitungselektronen,
andererseitsaberauchdiemagnetischeOrdnungderMomente.HierdurchbildensichsuperschwereElektronenbeisehrtiefenTemperaturenaus.EineleichteVerdünnungderYb-Plätze
durchnicht-magnetischeSc-Atomebewirkt,dassOrdnunggeradeamabsolutenNullpunkt
einsetzt.Dieser„QuantenkritischePunkt“imoptimiertenMaterialermöglichtesimPrinzip,bis
zumabsolutenNullpunktzukühlen.
Sogarbisunter0.03K
Diesoebenin„ScienceAdvances“publiziertenDatenzeigen,dasssichdievonGegenwartund
seineminternationalenTeamentwickelteneueVerbindungbeideradiabatischen
EntmagnetisierungwährenddesHerausfahrensdesMagnetfeldsextremstarkabkühlt–sogar
bisunterdieimVersuchsaufbautiefstemessbareTemperaturvon0.03K.Kühleffizienzund
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WärmeleitfähigkeitdesneuenMaterialssinddamitsignifikantbesseralsbeidenbislang
verwendetenmagnetischenSalzen.DassdasneuentwickelteMaterialvongroßemInteresseist,
wennesumdieVerbesserungvonKühlapparaturenbeisehrtiefenTemperaturengeht,liegt
alsoaufderHand.
Publikation:
Y.Tokiwa,B.Piening,H.S.Jeevan,S.L.Bud’ko.P.C.Canfield,P.Gegenwart,Super-heavyelectron
materialasmetallicrefrigerantforadiabaticdemagnetizationcooling.Sci.Adv.2,e1600835
(2016).
EnglischsprachigeVersiondieserPressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news658845
Ansprechpartner:
Prof.Dr.PhilippGegenwart
LehrstuhlfürExperimentalphysikVI/EKM
InstitutfürPhysik/ZentrumfürElektronischeKorrelationenundMagnetismus
UniversitätAugsburg
86135Augsburg
Telefon+49(0)821/598-3650
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