Null Kelvin – das ist der absolute Temperatur-Nullpunkt. Denn Wärme ist Energie, Kälte bedeutet weniger Energie, doch es kann niemals negative Energie geben. In der uns geläufigen Temperaturskala ausgedrückt liegen null Kelvin bei –273,15 Grad Celsius: Nichts kann kälter werden als das. Einige Forschende am PSI führen Tieftemperatur-Experimente nahe diesem Nullpunkt durch; andere tüfteln an technischen Möglichkeiten, um die Temperatur möglichst effizient zu senken.
Proteinprobe
Eiskristalle lassen sich am Ende des Roboterarms auf dem röhrenförmigen Probenhalter erahnen, der vom rechten Bildrand her horizontal bis vor den Lichtkranz gefahren ist: Der Roboter holt automatisiert Proteinproben aus einem Bad mit kühlendem flüssigem Stickstoff und transportiert sie zur Experimentierposition, die sich wie eine Nadel gegenüber dem Probenhalter befindet. Die Proteinkristalle werden anschliessend mit Röntgenlicht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS bestrahlt. Aus dem Beugungsmuster lässt sich dann die dreidimensionale Struktur des Proteins errechnen. Die Forschenden gewinnen so Einblicke in die molekulare Architektur und damit in die Funktionsweise der Proteine. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Eiskristalle lassen sich am Ende des Roboterarms auf dem röhrenförmigen Probenhalter erahnen, der vom rechten Bildrand her horizontal bis vor den Lichtkranz gefahren ist: Der Roboter holt automatisiert Proteinproben aus einem Bad mit kühlendem flüssigem Stickstoff und transportiert sie zur Experimentierposition, die sich wie eine Nadel gegenüber dem Probenhalter befindet. Die Proteinkristalle werden anschliessend mit Röntgenlicht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS bestrahlt. Aus dem Beugungsmuster lässt sich dann die dreidimensionale Struktur des Proteins errechnen. Die Forschenden gewinnen so Einblicke in die molekulare Architektur und damit in die Funktionsweise der Proteine. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Kalte Atome
Grünliches Licht verbreitet sich aus der luftleeren Experimentierkammer. Darin befinden sich Atome, die abgekühlt werden sollen. Das grüne Licht stammt von einem Laser und es trifft genau abgestimmt auf die Atome. Wenn sie die Energie einzelner Lichtpakete aufnehmen, geben sie direkt danach mehr Energie ab – und werden dadurch jedes Mal noch kälter als zuvor. Das Prinzip heisst Laser Cooling. Es bringt die Atome bis nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt von –273,15 Grad Celsius. Dadurch wird ihre Quantennatur erfassbar und kann analysiert werden. Im Zentrum für Photonenforschung werden auf diese Weise neue Einblicke auf dem Forschungsgebiet der Quantenmechanik gewonnen. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Grünliches Licht verbreitet sich aus der luftleeren Experimentierkammer. Darin befinden sich Atome, die abgekühlt werden sollen. Das grüne Licht stammt von einem Laser und es trifft genau abgestimmt auf die Atome. Wenn sie die Energie einzelner Lichtpakete aufnehmen, geben sie direkt danach mehr Energie ab – und werden dadurch jedes Mal noch kälter als zuvor. Das Prinzip heisst Laser Cooling. Es bringt die Atome bis nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt von –273,15 Grad Celsius. Dadurch wird ihre Quantennatur erfassbar und kann analysiert werden. Im Zentrum für Photonenforschung werden auf diese Weise neue Einblicke auf dem Forschungsgebiet der Quantenmechanik gewonnen. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Pulsierende Wärmerohre
In diesen silbrig erscheinenden, feinen Wärmerohren befindet sich eine zweiphasige Strömung aus Helium oder Neon; das heisst, die Stoffe liegen teils gasförmig und teils flüssig vor. Die senkrecht angeordneten Röhrchen sind an ihrem unteren Ende mit einer Wärmequelle verbunden. Am oberen Ende der Rohre ist ein Kondensator an einen Kryokühler angeschlossen: ein Kühlgerät, das gleichbleibende tiefe Temperaturen von unter –240 Grad Celsius ermöglicht. In diesem Design als sogenannte Pulsating Heat Pipes erzeugt die Strömung des Heliums beziehungsweise des Neons eine effiziente passive Wärmeübertragung. Eine solche thermische Verbindung ist ein Schlüsselelement für die Optimierung von supraleitenden Systemen, die auf tiefe Temperaturen gekühlt werden müssen. Die Entwicklung und Anwendung dieser Anordnung ist Teil der gemeinsamen Bemühungen der Magnetsektion des PSI und der Firma VDL ETG. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
In diesen silbrig erscheinenden, feinen Wärmerohren befindet sich eine zweiphasige Strömung aus Helium oder Neon; das heisst, die Stoffe liegen teils gasförmig und teils flüssig vor. Die senkrecht angeordneten Röhrchen sind an ihrem unteren Ende mit einer Wärmequelle verbunden. Am oberen Ende der Rohre ist ein Kondensator an einen Kryokühler angeschlossen: ein Kühlgerät, das gleichbleibende tiefe Temperaturen von unter –240 Grad Celsius ermöglicht. In diesem Design als sogenannte Pulsating Heat Pipes erzeugt die Strömung des Heliums beziehungsweise des Neons eine effiziente passive Wärmeübertragung. Eine solche thermische Verbindung ist ein Schlüsselelement für die Optimierung von supraleitenden Systemen, die auf tiefe Temperaturen gekühlt werden müssen. Die Entwicklung und Anwendung dieser Anordnung ist Teil der gemeinsamen Bemühungen der Magnetsektion des PSI und der Firma VDL ETG. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Gewebeschnitte
Kalter Stickstoffnebel umschwebt das Innere eines Mikrotoms, eines Schneidegeräts, mit dem Schnittpräparate hergestellt werden. In einer blauen Halterung ist ein Diamantmesser befestigt. Direkt hinter der Schnittfläche des Messers befindet sich die sehr kleine, gefrorene Gewebeprobe, die in einer Art Bohrfutter fixiert ist. Die Probe wird auf und ab bewegt, während sich das Messer in Richtung Probe schiebt, sodass ultradünne Schnitte entstehen, typischerweise zwischen 50 und 150 Nanometer dünn. Die Probe muss sehr kalt sein, um sie in ihrem natürlichen Zustand in amorphem Eis zu erhalten: –150 Grad Celsius. Im Labor für biomolekulare Forschung werden die hauchdünnen Gewebepräparate genutzt, um physiologische Prozesse zu verstehen. Von da aus können dann neue therapeutische Möglichkeiten erkundet werden© Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Kalter Stickstoffnebel umschwebt das Innere eines Mikrotoms, eines Schneidegeräts, mit dem Schnittpräparate hergestellt werden. In einer blauen Halterung ist ein Diamantmesser befestigt. Direkt hinter der Schnittfläche des Messers befindet sich die sehr kleine, gefrorene Gewebeprobe, die in einer Art Bohrfutter fixiert ist. Die Probe wird auf und ab bewegt, während sich das Messer in Richtung Probe schiebt, sodass ultradünne Schnitte entstehen, typischerweise zwischen 50 und 150 Nanometer dünn. Die Probe muss sehr kalt sein, um sie in ihrem natürlichen Zustand in amorphem Eis zu erhalten: –150 Grad Celsius. Im Labor für biomolekulare Forschung werden die hauchdünnen Gewebepräparate genutzt, um physiologische Prozesse zu verstehen. Von da aus können dann neue therapeutische Möglichkeiten erkundet werden© Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
Quantenmaterial
In diesem zwei Meter grossen, weltweit einzigartigen Kryostaten – ein Kühlgerät, das Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt erreicht – befindet sich ein Quantenmagnet. Seine Eigenschaften werden hier am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL mithilfe von Röntgenlicht untersucht. Bei sehr tiefen Temperaturen von rund 1 Kelvin und darunter nimmt das Quantenmaterial einen magnetischen Zustand an, der über die Streuung der Röntgenstrahlen direkt abgebildet werden kann. Hier geht es beispielsweise um den Einfluss von Quanteneffekten auf magnetische Domänen sowie deren dynamische Kontrolle durch Mikrowellenpulse. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
In diesem zwei Meter grossen, weltweit einzigartigen Kryostaten – ein Kühlgerät, das Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt erreicht – befindet sich ein Quantenmagnet. Seine Eigenschaften werden hier am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL mithilfe von Röntgenlicht untersucht. Bei sehr tiefen Temperaturen von rund 1 Kelvin und darunter nimmt das Quantenmaterial einen magnetischen Zustand an, der über die Streuung der Röntgenstrahlen direkt abgebildet werden kann. Hier geht es beispielsweise um den Einfluss von Quanteneffekten auf magnetische Domänen sowie deren dynamische Kontrolle durch Mikrowellenpulse. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer
