Der Physiker Professor Dr. Jürgen Schnack untersucht neue Materialien für zukünftige Kältetechnologien im Bereich der supertiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Dies ist für spezielle Anwendungen notwendig, bei denen das Gas Helium durch alternative Materialien ersetzt werden könnte. Ein europaweites Promotionsnetzwerk namens MolCal wurde von Schnack initiiert, um seine Forschung in diesem Bereich zu erweitern. Ein vielversprechender Kandidat zur Kühlung mit guten Eigenschaften wurde bereits entdeckt, der zumindest teilweise Helium ersetzen könnte.
Kühlschränke verwenden Kohlenwasserstoffe wie Propan, um Lebensmittel zu kühlen. Für Anwendungen im Bereich der Quantentechnologien werden jedoch viel tiefere Temperaturen benötigt, die nahe dem absoluten Nullpunkt liegen. Helium ermöglicht solche extrem niedrigen Temperaturen, wobei es mit den Isotopen 4He bis 1,8 Kelvin und 3He sogar bis in den Bereich zwischen 10 und 30 Millikelvin kühlen kann. Diese Temperaturen sind entscheidend für Quantentechnologien, da nur dann die erforderlichen Quanteneffekte auftreten können.
Professor Dr. Schnack betreut Doktorandinnen und Doktoranden im europäischen MSCA-Netzwerk MolCal, das sich mit der Erforschung von Materialien für zukünftige Kältetechnologien bei supertiefen Temperaturen befasst. Das Ziel ist es, Materialien zu finden, die Helium als Kühlmittel ersetzen können, da Helium knapp und teuer ist. Das Netzwerk umfasst interdisziplinäre Teams aus verschiedenen Ländern, die sich auf Chemie, Physik und Modellierung konzentrieren, um innovative Lösungen für die Kühlproblematik zu entwickeln.
Eine vielversprechende Entdeckung im Rahmen von MolCal ist das Material Gd12Na6, das gute magnetokalorische Eigenschaften aufweist und im Temperaturbereich zwischen 0,4 und 2 Kelvin sehr effektiv kühlt. Obwohl es Helium, insbesondere 3He, nicht vollständig ersetzen kann, könnte es in bestimmten Anwendungsfällen wie Weltraumforschungsprojekten eingesetzt werden. Zukünftige Materialien müssen sich die Kälteaufgabe teilen, da nur 3He die supertiefen Temperaturen im Millikelvinbereich erreichen kann. Schnacks Modellierungen tragen dazu bei, das Verständnis für magnetische Wechselwirkungen bei Materialien zu verbessern und neue Materialien gezielter zu entwickeln.
Der Fokus liegt auch darauf, Materialien zu finden, die effizient sind und eine hohe Anzahl von Kühlzyklen ermöglichen. Die isotherme Änderung der Entropie ist ein wichtiger Faktor in der Effizienz der Kältetechnologien. Das Projekt DiProMag, an dem die Universität Bielefeld beteiligt ist, untersucht magnetokalorische Materialien, die bei Raumtemperatur, nicht bei extremen Temperaturen, funktionieren, und konzentriert sich auf ähnliche Forschungsziele wie MolCal.
