Jenseits von Plancks Strahlungsgesetz
Verallgemeinerte Strahlungstheorie bestätigt: Objekte kleiner als IR-Wellenlängen geben Wärme nur ineffizient ab.
Jedes Objekt um uns herum sendet Wärmestrahlung aus. Normalerweise lässt sich diese Strahlung sehr präzise mit dem Planckschen Strahlungsgesetz beschreiben. Wenn allerdings das strahlende Objekt kleiner ist als die Wellenlänge der Wärmestrahlung, verhält es sich nach anderen Regeln und strahlt Energie nicht mehr effizient ab, wie ein Forschungsteam der TU Wien nun nachweisen konnte. Wichtig sind diese Erkenntnisse für das Wärmemanagement winziger Bauteile in der Nanotechnologie, aber auch für die Beschreibung von Mikropartikeln in der Luft, die unser Klima beeinflussen.
Abb.: Eine ultradünne Glasfaser sendet Licht unterschiedlicher Wellenlängen aus. Mit Theorien, die über Plancks Strahlungsgesetz hinausgehen, lässt sich das präzise beschreiben. (Bild: TU Wien)
Schon Max Planck wusste 1900: So vielseitig sein Gesetz zur Strahlung schwarzer Körper auch ist, bei sehr kleinen Objekten scheitert es bedarf einer allgemeineren Theorie. Am Atominstitut der TU Wien haben Christian Wuttke und Arno Rauschenbeutel diesen Fall nun anhand von ultradünnen Glasfasern untersucht.
Planck ging von Körpern aus, die jede Strahlung absorbieren. Wegen der Energieerhaltung sendet die Oberfläche des Körpers dann auch Strahlung aus – je nach Temperatur. „Wenn das Objekt aber kleiner ist, als die typische Weglänge, auf der es zur Absorption der Strahlung kommt, dann sieht die Sache anders aus“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Der Körper absorbiert dann die einfallende Strahlung nicht mehr vollständig, ein Teil kann durch ihn hindurchgehen.“ Dementsprechend gehorcht dann auch das Abstrahlungsverhalten nicht mehr Plancks Gesetz.
Christian Wuttke und Arno Rauschenbeutel schickten Licht durch ultradünne Glasfasern mit einer Dicke von nur 500 Nanometern. Dabei haben sie gemessen, wie viel Lichtenergie in Wärme umgewandelt und dann an die Umgebung abgestrahlt wurde. „Wir konnten zeigen, dass sich die Fasern viel länger brauchen, um ihre Gleichgewichtstemperatur zu erreichen, als man aufgrund einer unbedarften Anwendung der Planck’schen Strahlungsformel erwarten würde“, sagt Rauschenbeutel. „Allerdings zeigt sich eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit der allgemeineren Theorie der Fluktuations-Elektrodynamik, in der man Geometrie und Größe des Körpers genau berücksichtigen kann.“
Rauschenbeutels Gruppe verwendet ultradünne Glasfasern auch zur Übertragung von Quanteninformation. In diesem Zusammenhang ist es sehr wichtig, genau über das Wärmeverhalten der Glasfasern Bescheid zu wissen: Ein langsameres Abkühlen oder ein geringerer Wärmetransport bedeutet auch eine größere Gefahr des Durchbrennens, wenn man Daten durch die Faser senden will. Verallgemeinerungen des Abstrahlverhaltens jenseits von Plancks Formeln spielen aber auch in der Aerosolphysik eine wichtige Rolle, die sich mit winzigen Partikeln in der Luft beschäftigt: „Die Abstrahlung eines Stücks Kohle kann man perfekt mit Plancks Gesetz beschreiben, doch für feine Rußpartikel in der Atmosphäre lässt sie sich nur durch allgemeinere Theorien erklären, die wir in unserem Experiment nun weiter bestätigen konnten“, erklärt Rauschenbeutel.
TU Wien / DE
