Tieftemperaturverhalten

Tieftemperaturverhalten bezeichnet das Verhalten physikalischer Eigenschaften von Systemen bei extrem niedrigen Temperaturen, meist von wenigen Kelvin bis zu einigen Zehntel Kelvin. Es umfasst thermische Eigenschaften, transporteigenschaften, mechanische Verformung sowie elektronische und magnetische Zustände.

Thermisch betrachtet nimmt die spezifische Wärme bei niedrigen Temperaturen stark ab. Im Festkörper folgt sie dem Debye-Gesetz und C proportional zu T³; in Metallen ergänzt eine Elektronenkomponente C_e = γT die Wärmekapazität. Die Wärmeleitfähigkeit κ variiert je nach Material: Isolatoren sind durch Phononenstreuung geprägt, κ steigt typischerweise mit T; Metalle nutzen zusätzlich Elektronenbeiträge, oft im Zusammenhang mit dem Wiedemann-Franz-Gesetz.

Mechanisch betrachtet kann die Duktilität mit sinkender Temperatur abnehmen, und in vielen Stählen besteht bei Cryo-Temperaturen das Risiko eines spröden Bruchs (Sprödingkeitsübergang). Der thermische Ausdehnungskoeffizient α nimmt ab, wodurch thermische Schockbelastungen bei schnellen Temperaturwechseln kritisch werden können.

Elektrisch und magnetisch zeigt sich häufig der Übergang zu neuen Zuständen: In manchen Materialien tritt Supraleitung unterhalb einer kritischen Temperatur Tc auf, der Widerstand verschwindet und es entstehen charakteristische Eigenschaften wie eine Energie-Lücke. Magnetische Ordenungen können bei niedrigen Temperaturen stabiler werden; Quantenphänomene treten verstärkt auf.

Diffusion und Defekte verlangsamen sich stark; Atome bewegen sich kaum, Diffusionsraten sinken deutlich bis nahezu zum Stillstand.

Anwendungen finden sich insbesondere in der Kryotechnik, bei Supraleitungsanwendungen, in der Raumfahrt sowie in der Grundlagenforschung, wo das Verständnis des Tieftemperaturverhaltens für Materialauswahl, Kühlung und Präzisionsmessungen zentral ist.