Kleine Objekte strahlen anders

Jedes Objekt um uns herum sendet Wärmestrahlung aus. Normalerweise lässt sich diese Strahlung sehr präzise mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz beschreiben. Wenn allerdings das strahlende Objekt kleiner ist als die Wellenlänge der Wärmestrahlung, dann 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.

Plancks Strahlungsgesetz

Im Jahr 1900 gelang es dem Physiker Max Planck, eine Formel für die Wärmeabstrahlung von Körpern anzugeben. Er legte damit den Grundstein für die Quantenphysik. Seine Theorie beschreibt die Wärmestrahlung ganz unterschiedlicher Objekte – das Licht von Sternen, die Farbe glühender Schürhaken, oder auch die unsichtbare Infrarotstrahlung, die man mit Wärmebildkameras aufnehmen kann. Doch schon Planck wusste: So vielseitig sein Gesetz auch ist, bei sehr kleinen Objekten scheitert es und eine allgemeinere Theorie muss verwendet werden. An der TU Wien wurde dieser Fall nun von Christian Wuttke und Prof. Arno Rauschenbeutel (Vienna Center for Quantum Science and Technology / Atominstitut) anhand von ultradünnen Glasfasern untersucht.

Absorption und Emission von Strahlung

Max Planck ging von Körpern aus, die jede Strahlung absorbieren. Wegen der Energieerhaltung sendet die Oberfläche des Körpers dann auch Strahlung aus – und zwar je nach Temperatur mit einer ganz bestimmten Wellenlängenverteilung, die sich nach Planck genau vorhersagen lässt.

„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.

Fluktuations-Elektrodynamik

Christian Wuttke und Arno Rauschenbeutel schickten Licht durch ultradünne Glasfasern mit einer Dicke von nur 500 Nanometern. Dabei wurde 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 Arno 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.“

Datenströme und Rußpartikel

Die Forschungsgruppe von Arno Rauschenbeutel 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 bzw. ein geringerer Wärmetransport bedeutet auch eine größere Gefahr des Durchbrennens, wenn man Daten durch die Faser senden will.

Verallgemeinerungen des Abstrahlverhaltens jenseits von Max 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 Arno Rauschenbeutel.

Rückfragehinweis:
Prof. Arno Rauschenbeutel
Atominstitut
Vienna Center for Quantum Science and Technology
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141761
arno.rauschenbeutel@tuwien.ac.at