TU Wien: Kleine Objekte strahlen anders

Wichtig sind diese Erkenntnisse für das Wärmemanagement winziger Bauteile in der Nanotechnologie, aber auch für die Beschreibung von Mikropartikeln in der Luft, die das Klima beeinflussen, heißt es in einer Aussendung der Uni vom Mittwoch. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Jedes Objekt sendet Wärmestrahlung aus. Mit dem bereits 1900 von dem Physiker Max Planck formulierten „Planck`schen Strahlungsgesetz“, lässt sich normalerweise jegliche Form der Wärme-Abstrahlung von Körpern sehr präzise berechnen. Er ging von Körpern aus, die jede Strahlung absorbieren. Im Sinne der Energieerhaltung muss die Körper-Oberfläche dann auch Strahlung aussenden. Je nach Temperatur ergibt sich eine ganz bestimmte Wellenlängenverteilung, die sich nach Plancks Gesetz auch genau vorhersagen lässt.

Ist allerdings das strahlende Objekt kleiner als die Wellenlänge der Wärmestrahlung, dann verhält es sich nach ganz gesetzeskonform. „Der Körper absorbiert dann die einfallende Strahlung nicht mehr vollständig, ein Teil kann durch ihn hindurchgehen“, so Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien und dem Vienna Center für Quantum Science and Technology. Er strahlt die Energie dann auch nicht mehr effizient ab, was dazu führt, dass Wissenschafter auf eine allgemeinere Theorie zurückgreifen müssen.

Ultradünne Glasfasern
In ihren Experimenten schickten Rauschenbeutel und sein Forscherkollege Christian Wuttke Licht durch ultradünne Glasfasern mit einer Dicke von lediglich 500 Nanometern. Dabei untersuchten sie, wie viel Lichtenergie in Wärmeenergie umgewandelt und dann an die Umgebung wieder abgestrahlt wurde. Die Fasern brauchten viel länger, um „ihre Gleichgewichtstemperatur zu erreichen, als man aufgrund einer unbedarften Anwendung der Planck“schen Strahlungsformel erwarten würde“, so Rauschenbeutel.

Es zeigten sich allerdings starke Übereinstimmung mit einer allgemeineren physikalischen Theorie - der „Fluktuations-Elektrodynamik“. Der Vorteil: Die Forscher können damit die Geometrie und Größe des Körpers genau berücksichtigen.

Übertragung von Quanteninformation
Den Hintergrund für die Studie bildet die Tatsache, dass die Forschungsgruppe um Rauschenbeutel Glasfasern auch zur Übertragung von Quanteninformation verwendet. Dort kann langsameres Abkühlen oder ein geringerer Wärmetransport die Gefahr des Durchbrennens erhöhen, wenn die Forscher Daten durch die Faser senden.

Verallgemeinerungen des Abstrahlverhaltens spielen aber auch in der Aerosolphysik eine 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“, wird der Forscher in der Aussendung zitiert.