Für Körper, die weniger als eine Haaresbreite auseinanderliegen, gelten andere physikalische Gesetze als für weiter entfernte Objekte – etwa bei der Übertragung von Wärme. Der Oldenburger Physiker Svend-Age Biehs erkundet diese verblüffenden Phänomene. Kürzlich wurde er mit dem Gustav-Hertz-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft ausgezeichnet.
Hyperbolische Metamaterialien, Magneto-Plasmonik und Thermotronik: Wenn Dr. Svend-Age Biehs in wenigen Worten seine Forschung beschreiben soll, verstehen selbst viele Physiker nur Bahnhof. Das sei normal, beruhigt der habilitierte Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe Theorie der kondensierten Materie. „Mir geht es oft genauso, wenn ich einen Vortrag von einem Kollegen höre, der an einem ganz anderen Thema arbeitet“, gesteht er.
Dass die Fachbegriffe in Biehs Forschungsfeld besonders exotisch klingen, mag daran liegen, dass vieles daran noch vergleichsweise neu ist. Der 41-Jährige widmet sich der Frage, wie Wärme im Nanobereich übertragen wird, über Entfernungen von einem Millionstel Meter und weniger. Physiker sprechen vom so genannten Nahfeldwärmetransport. „Vor 20 Jahren gab es dieses Forschungsgebiet noch gar nicht“, sagt Biehs. Der Wissenschaftler, derzeit Heisenberg-Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft, beschäftigte sich bereits 2004 in seiner Diplomarbeit mit dem Problem des Wärmetransports über sehr kleine Abstände – und brachte das Feld seither entscheidend mit voran. Das würdigte die Deutsche Physikalische Gesellschaft im März mit dem Gustav-Hertz-Preis, ihrem wichtigsten Nachwuchspreis. Biehs habe „eine Fülle bahnbrechender Beiträge zu den theoretischen Grundlagen sowie zukünftigen Anwendungen thermischer Nahfeld-Effekte geleistet“, heißt es in der Begründung.
Mehr Wärme als Planck erlaubt
Das Faszinierende am Nahfeld-Wärmetransport: Bei seiner Erkundung betreten theoretische Physiker Neuland, altbekannte Gesetze versagen. So hat sich etwa gezeigt, dass der Wärmetransport zwischen zwei Objekten drastisch ansteigt, wenn diese bei Raumtemperatur weniger als rund zehn Mikrometer voneinander entfernt sind. „Im Nahfeld kann im Prinzip jedes Material sehr viel mehr Wärme übertragen, als es dem Planckschen Strahlungsgesetz zufolge möglich sein sollte“, erläutert Biehs.
Das fundamentale Gesetz der Schwarzkörperstrahlung des Physikers Max Planck beschreibt, wie zum Beispiel die Strahlung der Sonne oder auch einer Glühbirne über das elektromagnetische Spektrum verteilt ist – und wie dies von der Temperatur des jeweiligen Strahlers abhängt. Demnach gibt es eine maximale Energiemenge, die ein Objekt über Strahlung abgeben kann. Im Nahfeld gilt diese Grenze aber nicht, wie Theorie und Experimente in den vergangenen Jahren gezeigt haben. Der Überschuss wird als „Super-Plancksche Strahlung“ bezeichnet.
Eine bereits in den 1950er Jahren entwickelte Theorie, die dieses Phänomen erklärt, hat Svend-Age Biehs in seiner Habilitation fortgeführt. Demzufolge rührt die Super-Plancksche Strahlung von elektromagnetischen Wellen, die sich an der Oberfläche eines Körpers ausbreiten oder dort vollständig reflektiert werden. Das Entscheidende: Diese Wellen enden nicht abrupt an der Oberfläche, sondern existieren auch noch in einem winzigen Bereich jenseits der Grenze. Befindet sich dort ein weiteres Objekt, können die Wellen die Lücke überspringen und den benachbarten Körper erwärmen. Die Formel, die den zusätzlichen Wärmestrom beschreibt, stellte Biehs so um, dass man den Beitrag der einzelnen Wellen besser verstehen kann.
Wärmeflüsse gezielt kontrollieren
Interessant am Nahfeldwärmetransport sind auch seine vielfältigen möglichen Anwendungen. Forscher in Oldenburg um Prof. Dr. Achim Kittel haben beispielsweise ein weltweit einzigartiges Mikroskop entwickelt, das Wärmeströme zwischen einer Probe und einer zum Mikroskop gehörenden Spitze messen kann. „Man kann dieses Rasterwärmemikroskop als eine Art Wärmebildkamera für den Nanobereich ansehen“, sagt Biehs. Das Gerät ermögliche es, bisher unzugängliche Eigenschaften von Festkörpern zu messen.
Eine weitere Idee besteht darin, Technologien zu entwickeln, mit der sich Wärme wirksamer als bisher in elektrischen Strom umwandeln lässt – eine Art Thermo-Photovoltaik im Nanobereich. Die dahinter liegende Theorie erkundet Biehs zusammen mit Dr. Philippe Ben-Abdallah von der staatlichen französischen Forschungseinrichtung Institut d‘Optique in Palaiseau bei Paris. Die beiden interessieren sich unter anderem für die Frage, wie stark man den Super-Planckschen Wärmestrom erhöhen kann. Dabei haben sie zum Beispiel Materialien im Blick, die abwechselnd aus extrem dünnen Schichten eines Metalls und eines nichtleitenden Materials aufgebaut sind. Diese Klasse von Materialien, die wegen ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften als „hyperbolische Metamaterialien“ bezeichnet werden, können den Berechnungen der beiden Forscher zufolge so gestaltet werden, dass sie Wärme im Nahfeld besonders effizient abstrahlen. Das könnte nützlich sein, um Wärmeflüsse im Nanobereich gezielt zu kontrollieren.
Biehs und Ben-Abdallah haben darüber hinaus Ideen für Bauteile entwickelt, die ähnliche Funktionen übernehmen können wie elektronische Schaltelemente. In Anlehnung an die Elektronik sprechen sie von „Thermotronik“. Eine thermische Diode würde etwa den Wärmestrom nur in einer Richtung durchlassen. Mit einem thermischen Nahfeld-Transistor könnte man den Wärmestrom zwischen zwei Körpern gezielt umschalten, verstärken oder modulieren. „Man könnte diese Elemente im Prinzip wie in einem Computer für logische Operationen nutzen, aber dieser wäre für praktische Anwendungen viel zu langsam“, sagt Biehs. Er sieht mögliche Anwendungen vielmehr in der Nanotechnologie, wo es nötig sein könnte, Objekte berührungsfrei aufzuheizen oder auch zu kühlen, etwa Spiegel in hochpräzisen Laserexperimenten. Der Physiker ist überzeugt, dass die eigentlich altbekannte Wärmestrahlung noch viele weitere Überraschungen bereithält.