Tieftemperaturphysik Ch. Enss, 15.10.05
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Physik bei tiefen Temperaturen Christian Enss Kirchhoff-Institut für Physik Universität Heidelberg Heidelberg 14.10.05 - 1 Tiefe Temperaturen: Systeme mit kleinen Energien andere Zeitskalen rauscharme Messungen selektives Ausfrieren von Freiheitsgraden neue Phänomene Supraleitung Tunneln von Atomen Suprafluidität Heidelberg 14.10.05 - 2 Logarithmische Temperaturskala 0.0000000003 K 30 nK 300 pK 3 μK 300 μK 30 mK 3K 300 K Fl. Stickstoff Flüssiges Helium Heidelberg 14.10.05 - 3 Historische Entwicklung der Minimaltemperatur Heidelberg 14.10.05 - 4 3He/4He-Mischkryostat Mischungslücke aber 6,4 % 3He in 4He bei T = 0 K Grund: Nullpunktsenergie lockert Bindung 3He 4He stärker gebunden als 3He 3He aber: Fermi-Energie maximal 6,4% 3He in 4He bei T = 0 K 3He 4He + 6% 3He Heidelberg 14.10.05 - 5 Prinzip der Mischungskühlung mit 3He/4He Übertritt von 3He in die 4He reiche Phase Kühlung durch Verdampfung von 3He in 4He Quasivakuum Lösungskälte pro Mol: 3He 4He + 6% 3He suprafluides 4He Heidelberg 14.10.05 - 6 Realisierung der Mischungskühlung mit 3He/4He Heidelberg 14.10.05 - 7 Realisierung der Mischungskühlung mit 3He/4He T2 Heidelberg 14.10.05 - 8 Adiabatische Entmagnetisierung Vorkühlen Vorkühlstufe Isotherme Magnetisierung Thermische Isolation Wärmeschalter wird geöffnet Kühlmedium Adiabatische Entmagnetisierung Magnet Heidelberg 14.10.05 - 9 Adiabatische Entmagnetisierung Vorkühlen Vorkühlstufe Isotherme Magnetisierung Thermische Isolation Wärmeschalter wird geöffnet Kühlmedium Adiabatische Entmagnetisierung Magnet Heidelberg 14.10.05 - 10 Entropiediagramm Heidelberg 14.10.05 - 11 Heidelberger Kernentmagnetisierungsanlage Heidelberg 14.10.05 - 12 Magnetsystem Heidelberg 14.10.05 - 13 Entmagnetisierungszyklus Heidelberg 14.10.05 - 14 Thermometrie Elektrische Leitfähigkeit Dampfdruckkurve von 3He Kernorientierung Magnetische Suszeptibilität Kernspinresonanz Widerstandsrauschen Heidelberg 14.10.05 - 15 Johnson & Nyquist (1928) Thermische Fluktuationen der Spannung über einem elektrischen Leiter: Quanten-Korrekturen: hier vernachlässigbar, weil (T > 100mK, f < 1 kHz) Heidelberg 14.10.05 - 16 Stromrauschen Stromrauschen im Kurzschlussfall Empfindlichkeit von Strom-Sensor-dc-SQUIDs: < 1 pA/√Hz Endliche Bandbreite wegen iwL: Spule = ein Freiheitsgrad, d.h. Heidelberg 14.10.05 - 17 Induktiv ausgelesenes Rauschthermometer Rauschquellen: Gold-Zylinder, ∅ 2 mm, Reinheit > 99,999%, RRR = 110 Kupfer-Zylinder, ∅ 2,5 mm, Reinheit > 99,999%, RRR = 1000 Heidelberg 14.10.05 - 18 Frequenzabhängigkeit: Experiment und Theorie Gold-Zylinder RRR = 110 Frequenzabhängigkeit zuverlässig berechenbar! Heidelberg 14.10.05 - 19 Im Mischkryostaten SQUIDs 2 Rauschthermometer thermische Ankopplung Heidelberg 14.10.05 - 20 Rauschthermometer - Fixpunktthermometer tmeas = 100 s Lineare Temperaturabhängigkeit der Rauschleistung: SΦ ~ T Heidelberg 14.10.05 - 21 Vergleich zweier Rauschthermometer: Kupfer & Gold 100 mK 5 mK Abweichungen vom erwarteten linearen Zusammenhang kleiner als 0,5 % Kupfer-Thermometer: RRR = 1000 Gold-Thermometer: RRR = 110 Heidelberg 14.10.05 - 22 Tieftemperatur-Teilchendetektoren Quant : Phononen Elektronen Spins Tunnelsysteme Quasiteilchen Thermometer Absorber thermische Verbindung Zeitkonstante: Wärmebad Temperaturleitfähigkeit Heidelberg 14.10.05 - 23 Prototypdetektor für Röntgenspektroskopie 160 μm x 160 μm x 5 μm Kα 6 keV Einzelpuls trigger level Kβ Heidelberg 14.10.05 - 24 Feinaufspaltung Kα-Line 55Mn Energieauflösung 3.4 eV Ge-Detektor Heidelberg 14.10.05 - 25 Anwendungen AlReO4-Kristall Astrophysik: Röntgenastronomie Sonnenneutrinos Dunkle Materie Atom- und Kernphysik: Gamma-Detektion Beta-Endpunktspektroskopie Doppelbeta-Zerfall U91+ Lamb-Shift Messung 187Re → 187Os + e- + νe Industriell: Materialanalyse Absolut-Dosimetrie Heidelberg 14.10.05 - 26 Tunneln von Atomen in Festkörpern Heidelberg 14.10.05 - 27 Tunneln Heidelberg 14.10.05 - 28 Physik bei tiefen Temperaturen Heidelberg 14.10.05 - 29
