Illustration eines sehr dünnen Drahts an einer größeren Aufhängung, von dem Strahlungspakete verschiedener Wellenlängen ausgehen.

Plancksches Strahlungsgesetz gilt nicht für winzige Objekte

Alle Körper im Universum geben Wärmestrahlung ab. Die Wellenlängen dieser Strahlung hängen nur von der Temperatur des Körpers ab – so die Aussage des Planckschen Strahlungsgesetzes aus dem Jahr 1900. So gibt etwa die Sonne mit ihrer rund sechstausend Grad Celsius heißen Oberfläche größtenteils sichtbares und infrarotes Licht ab, während ein menschlicher Körper mit etwa 37 Grad Celsius zwar Infrarotstrahlung abgibt, aber nicht im sichtbaren Bereich leuchtet.

Forscher der Technischen Universität Wien haben nun die Vermutung bestätigt, dass für sehr kleine Körper andere Regeln gelten. Christian Wuttke und Arno Rauschenbeutel vom Vienna Center for Quantum Science and Technology und dem Atominstitut der TU Wien haben dafür einen Nanodraht beobachtet, der nur 500 Nanometer dünn ist. Bei Temperaturen zwischen zwanzig und mehreren Hundert Grad Celsius untersuchten sie, wie sich der Draht erwärmt oder abkühlt.

Die Temperaturentwicklung des Nanodrahts, aufgetragen gegen die Zeit.
Wärmeverhalten des Drahtes

Die entscheidende Eigenschaft des Drahtes ist seine Größe: Er ist kleiner als die Wellenlängen der Wärmestrahlung, die man bei ihm erwartet. Ein gewöhnlicher Körper strahlt bei eintausend Grad Celsius mehr als 99 Prozent seiner Wärmeenergie mit Wellenlängen von über tausend Nanometern ab. Geringere Temperaturen führen zu noch größeren Wellenlängen.

Das Experiment hat ergeben, dass der Draht tatsächlich nicht dem bekannten Gesetz folgt: „Wir konnten zeigen, dass sich die Fasern anders erwärmen und abkühlen, als man aufgrund der Planckschen Strahlungsformel erwarten würde“, so Arno Rauschenbeutel. Eine angepasste Theorie, die nicht nur die Temperatur berücksichtigt, musste herangezogen werden. Korrekte Voraussagen für das Verhalten des Drahtes wurden möglich, indem seine Form und Größe in die Berechnung einbezogen wurden. Die Forscher haben ihre Ergebnisse nun in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Das Wärmestrahlungsverhalten kleinster Objekte ist nicht nur von theoretischem Interesse: Für Anwendungen im Bereich der Quanteninformation, wie sie am Vienna Center for Quantum Science and Technology erforscht werden, muss das Verhalten der Bauteile genau bekannt sein. Aber auch die Eigenschaften kleiner Rußpartikel in der Atmosphäre können mit der jetzt bestätigten Theorie präziser beschrieben und ihr Einfluss auf die Atmosphäre besser modelliert werden.