Wärmestrahlung in der Nanowelt

Bedeutendes Forschungsresultat Oldenburger Physiker in renommierter internationaler Fachzeitschrift

Großer Erfolg für Forscher vom Institut für Physik der Universität Oldenburg: In der international führenden Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ (PRL 95, 224301, 2005) stellen die Experimentatoren der Arbeitsgruppe „Energie- und Halbleiterforschung“ und die Theoretiker der Arbeitsgruppe „Theorie der kondensierten Materie“ in einer gemeinsamen Studie Messungen so genannter Nahfeld-Wärmestrahlungen vor: „Near-Field Heat Transfer in a Scanning Thermal Microscope“ von Achim Kittel, Wolfgang Müller-Hirsch, Jürgen Parisi, Svend-Age Biehs, Daniel Reddig und Martin Holthaus.

Durch eine Verkleinerung der Dimensionen von Objekten treten immer wieder neue Phänomene der Physik zutage. Diese Phänomene machen deutlich, dass die Eigenschaften von Materie in der Nanowelt von denen der Quanten dominiert werden, aus denen sie aufgebaut ist. Der Wärmeübertrag zwischen großen Objekten, etwa zwischen Sonne und Erde, ist ein altes und wohlverstandenes Phänomen der Physik. Betrachtet man dagegen sehr viel kleinere Objekte bei winzigen Abständen, dann wird das Wirken anderer Mechanismen offenbar, die bislang noch nicht klar verstanden sind und derzeit unter Physikern stark diskutiert werden.

Dass jedes Material Wärmestrahlung aussendet, die von seiner Temperatur abhängt, ist gängiges Schulwissen. Weit weniger bekannt ist die Tatsache, dass ein Teil dieser Strahlung sich nicht im freien Raum ausbreiten kann, sondern in so genannten „evaneszenten Wellen“ im Abstand von weit weniger als einem Millionstel Meter von der Oberfläche des Materials gefangen bleibt.

Genau diese Nahfeld-Wärmestrahlung hat es den Wissenschaftlern am Institut für Physik angetan: In ihrem Beitrag für die „Physical Review Letters“ stellen sie exakte Messungen der Nahfeld-Strahlung vor. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Mechanismen, die der Nahfeld-Wärmestrahlung zugrunde liegen, theoretisch bislang nur unzureichend erfasst sind.

Die Oldenburger Physiker gehen davon aus, dass die Natur des Materials, also seine chemische Zusammensetzung und seine Oberflächenbeschaffenheit, die Nahfeld-Wärmestrahlung in systematischer Weise beeinflusst. Gelänge es, diese Beeinflussung genau zu verstehen, dann könnte die Nahfeld-Strahlung wesentliche Eigenschaften des aussendenden Materials verraten.

Bis dahin sind allerdings noch weitere Hürden zu überwinden: Die Experimentalphysiker müssen neuartige Sensoren für die Präzisionsmessungen im extremen Nahfeldbereich entwickeln, und die Theoretiker müssen das komplizierte Wechselspiel zwischen thermischen Fluktuationen und der Erzeugung der Strahlung im Material verstehen. Die jetzt vorgelegten ersten Ergebnisse der Oldenburger Kooperation lassen die Fachwelt aufhorchen: Die in Oldenburg vorangetriebene Entwicklung der „Raster-Wärmemikroskopie“ könnte, so PD. Dr. Achim Kittel von der Arbeitsgruppe Energie und Halbleiterforschung, der Materialforschung ein neues, flexibles Werkzeug liefern.

Kontakt: PD. Dr. Achim Kittel, Abteilung Energie- und Halbleiterforschung, Institut für Physik, Tel: ++49-441-798-3539, E-Mail: Email: kittel@uni-oldenburg.de