Heidelberg 14.10.05 - 1

Physik bei tiefen Temperaturen

Christian EnssKirchhoff-Institut für PhysikUniversität Heidelberg

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Tiefe Temperaturen:

Systeme mit kleinen Energienandere Zeitskalenrauscharme Messungenselektives Ausfrieren von Freiheitsgradenneue Phänomene

Supraleitung

Suprafluidität

Tunneln von Atomen

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300 K30 mK300 μK3 μK 3 K30 nK300 pK

Fl. Stickstoff

Flüssiges Helium

0.0000000003 K

Logarithmische Temperaturskala

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Historische Entwicklung der Minimaltemperatur

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3He/4He-Mischkryostat

4He + 6% 3He

3He

Mischungslücke

aber 6,4 % 3He in 4He bei T = 0 K

Grund:Nullpunktsenergie lockert Bindung

3He 4He stärker gebunden

als

aber: Fermi-Energie

maximal 6,4% 3He in 4He bei T = 0 K

3He 3He

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Prinzip der Mischungskühlung mit 3He/4He

4He + 6% 3He

3He

Übertritt von 3He in die 4He reiche Phase

Kühlung durch Verdampfung von 3He in 4He Quasivakuum

Lösungskälte pro Mol:

suprafluides 4He

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Realisierung der Mischungskühlung mit 3He/4He

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Realisierung der Mischungskühlung mit 3He/4He

T 2

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Adiabatische Entmagnetisierung

Vorkühlstufe

Kühlmedium

Magnet

Vorkühlen

Isotherme Magnetisierung

Thermische Isolation

Wärmeschalter wird geöffnet

Adiabatische Entmagnetisierung

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Adiabatische Entmagnetisierung

Vorkühlstufe

Kühlmedium

Magnet

Vorkühlen

Isotherme Magnetisierung

Thermische Isolation

Wärmeschalter wird geöffnet

Adiabatische Entmagnetisierung

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Entropiediagramm

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Heidelberger Kernentmagnetisierungsanlage

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Magnetsystem

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Entmagnetisierungszyklus

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Thermometrie

Elektrische Leitfähigkeit

Dampfdruckkurve von 3He

Kernorientierung

Magnetische Suszeptibilität

Kernspinresonanz

Widerstandsrauschen

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Johnson & Nyquist (1928)

Quanten-Korrekturen:

Thermische Fluktuationen der Spannung über einem elektrischen Leiter:

hier vernachlässigbar, weil (T > 100mK, f < 1 kHz)

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Stromrauschen

Stromrauschen im Kurzschlussfall

Endliche Bandbreite wegen iwL:

Empfindlichkeit von Strom-Sensor-dc-SQUIDs: < 1 pA/√Hz

Spule = ein Freiheitsgrad, d.h.

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Induktiv ausgelesenes Rauschthermometer

Rauschquellen:

Gold-Zylinder, ∅ 2 mm, Reinheit > 99,999%, RRR = 110

Kupfer-Zylinder, ∅ 2,5 mm, Reinheit > 99,999%, RRR = 1000

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Frequenzabhängigkeit: Experiment und Theorie

Gold-Zylinder

RRR = 110

Frequenzabhängigkeitzuverlässig berechenbar!

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Im Mischkryostaten

SQUIDs

thermischeAnkopplung

2 Rauschthermometer

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Rauschthermometer - Fixpunktthermometer

TS ~Φ

Lineare Temperaturabhängigkeit der Rauschleistung:

tmeas = 100 s

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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

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Tieftemperatur-Teilchendetektoren

Quant

Wärmebad

Absorber

thermische Verbindung

Thermometer : PhononenElektronenSpinsTunnelsystemeQuasiteilchen

Zeitkonstante:

Temperaturleitfähigkeit

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160 μm x 160 μm x 5 μm

Prototypdetektor für Röntgenspektroskopie

6 keV Einzelpuls

Kα

Kβtrigger level

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Feinaufspaltung Kα-Line 55Mn

Energieauflösung 3.4 eV

Ge-Detektor

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Anwendungen

Astrophysik:RöntgenastronomieSonnenneutrinosDunkle Materie

Atom- und Kernphysik:Gamma-DetektionBeta-EndpunktspektroskopieDoppelbeta-ZerfallU91+ Lamb-Shift Messung

Industriell:MaterialanalyseAbsolut-Dosimetrie

AlReO4-Kristall

187Re → 187Os + e- + νe

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Tunneln von Atomen in Festkörpern

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Tunneln

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Physik bei tiefen Temperaturen