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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 121 / 02. 08. 2013
Wissenschaft & Technik
Kleine Objekte strahlen anders
Objekte, die kleiner sind als die Wellenlänge der Wärmestrahlung, können Wärme
nicht effizient abstrahlen. Eine verallgemeinerte Strahlungstheorie wurde an der
TU Wien experimentell bestätigt.
Foto: TU WIen
Eine ultradünne Glasfaser sendet Licht unterschiedlicher Wellenlängen aus. Mit
Theorien, die über Plancks Strahlungsgesetz hinausgehen, läßt sich das präzise
beschreiben.
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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.
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.
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.
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 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.“
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. •