Ein internationales Team der Osaka Metropolitan University hat einen Bauelementaufbau vorgestellt, der Wärmestrahlung bevorzugt in eine Richtung fließen lässt. Der Entwurf koppelt einen magnetooptischen Halbleiter mit einem Phasenwechselmaterial und erreicht in Simulationen einen nichtreziproken Absorptionskontrast von rund 0,90 bei nur drei Grad Einfallswinkel. Besonders ist ein Schaltzustand, der ohne dauerhafte Energiezufuhr erhalten bleibt. Damit rückt programmierbare Wärmestrahlung erstmals in jenen Winkelbereich, in dem reale thermische Systeme tatsächlich arbeiten.
Wärme verlässt jeden Körper als elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich, und wie stark eine Oberfläche diese Strahlung aussendet, hängt eng damit zusammen, wie gut sie dieselbe Strahlung aufnimmt. Diesen Zusammenhang beschreibt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz, das Gustav Kirchhoff 1860 formulierte. Emissionsgrad und Absorptionsgrad sind demnach für dieselbe Wellenlänge und dieselbe Richtung identisch. Für die technische Praxis bedeutet das eine harte Grenze. Wer eine Fläche so gestaltet, dass sie Wärme besonders effizient aufnimmt, erhält zwangsläufig eine Fläche, die Wärme genauso effizient wieder abgibt. Ein Wärmestrom lässt sich damit zwar dämmen, spiegeln oder verzögern, aber nicht gezielt in eine bevorzugte Richtung lenken. Genau diese Einbahnstraße wäre jedoch für thermisches Management, für Energiewandler und für Infrarotsensoren interessant, weil sich Wärme dann ähnlich dirigieren ließe wie elektrischer Strom in einer Diode.
Ein internationales Team um Koichi Okamoto und Shunsuke Murai von der Graduate School of Engineering der Osaka Metropolitan University hat nun einen Weg beschrieben, diese Kopplung aufzubrechen. Die Ende Juni im Fachjournal Laser and Photonics Reviews erschienene Arbeit zu rekonfigurierbarer Nichtreziprozität beschreibt einen Schichtstapel, der zwei bislang getrennt genutzte Materialkonzepte zusammenführt und dadurch drei Eigenschaften in einem einzigen Bauteil vereint. Der Aufbau lenkt Wärmestrahlung richtungsabhängig, lässt sich gezielt ein- und ausschalten und behält seinen jeweiligen Zustand auch ohne anliegende Steuerenergie. Wärme wird damit konzeptionell zu etwas, das sich schreiben und speichern lässt, ähnlich wie eine Information in einem Speicherchip. Bisherige Ansätze konnten jeweils nur einen dieser Punkte erfüllen und scheiterten an Randbedingungen, die eine praktische Nutzung nahezu ausschlossen.
Der Schlüssel liegt in der Zeitumkehrsymmetrie. Legt ein äußeres Magnetfeld an einem geeigneten Halbleiter an, reagiert dessen Elektronengas auf einfallendes Infrarotlicht nicht mehr richtungsneutral. Das Team setzt dafür dotiertes Indiumarsenid ein, dessen freie Ladungsträger im Magnetfeld eine Zyklotronbewegung ausführen und die Dielektrizitätsfunktion um Nebendiagonalelemente ergänzen. Genau diese Elemente entkoppeln Aufnahme und Abgabe von Strahlung. Damit der Effekt nicht nur formal existiert, sondern messbar groß ausfällt, kombiniert der Entwurf magnetooptische Materialien mit einer nanostrukturierten Gitterschicht, einem sogenannten Metagitter. Es erzeugt geführte Moden, die das Infrarotlicht in die aktive Schicht einkoppeln und die Nichtreziprozität dort verstärken, wo sie zuvor verschwindend klein blieb. Verwandte Steuerungsideen finden sich bereits in schaltbaren Bauteilen wie einem smarten Fenster, das sich in Sekunden verdunkelt, dort verändert die Schaltung allerdings nur die Durchlässigkeit und nicht die Richtung des Wärmeflusses.
Die eigentliche Hürde früherer Konzepte war die Geometrie. Nichtreziproke Wärmestrahlung trat bislang erst bei sehr schrägen Einfallswinkeln von etwa 60 bis 70 Grad auf, also genau dort, wo Absorption und Emission ohnehin stark einbrechen und ein Bauteil kaum noch Nutzen bringt. Der japanische Entwurf verlagert den Effekt nach eigenen Berechnungen auf rund drei Grad und damit praktisch in die Senkrechte. Der berichtete Absorptionskontrast zwischen den beiden Richtungen liegt bei etwa 0,90 unter einem moderaten Magnetfeld, was einem nahezu vollständigen Bruch der bisherigen Symmetrie entspricht. Die zweite Neuerung liefert das Phasenwechselmaterial GST aus Germanium, Antimon und Tellur, das aus wiederbeschreibbaren optischen Datenträgern bekannt ist. Wie die begleitende Mitteilung der Osaka Metropolitan University beschreibt, bleibt der eingestellte Zustand erhalten, wenn die Steuerung entfällt. Im amorphen Zustand ist der Richtungseffekt aktiv, ein kurzer Heizpuls kristallisiert die Schicht, verschiebt den Brechungsindex und schaltet ihn ab.
Aus dieser Kombination ergibt sich ein Bauteil, das seinen thermischen Betriebsmodus speichert, ohne dafür laufend Energie zu verbrauchen. Die Autoren beschreiben Anwendungen als schaltbarer optischer Isolator im mittleren Infrarot, als richtungsselektiver Emitter und als photonischer Speicher, der Information über Licht und Wärme statt über elektrische Ladung ablegt. Interessant ist das überall dort, wo Abwärme nicht nur abgeführt, sondern zielgerichtet umverteilt werden soll, etwa in dicht gepackter Elektronik oder in Systemen zur Strahlungskühlung, die auf eine nahezu senkrechte Abstrahlung angewiesen sind. Der Ansatz ergänzt damit die Materialseite, auf der zuletzt Rekorde bei der Wärmeableitung erzielt wurden, darunter ein Metallmaterial mit bisher unerreichter Wärmeleitfähigkeit, das Wärme schneller abtransportiert, sie aber ebenfalls nicht steuern kann.
Bei aller Tragweite bleibt eine wichtige Einordnung. Die Publikation beschreibt einen theoretisch entwickelten und numerisch durchgerechneten Entwurf, kein gefertigtes und vermessenes Bauteil. Ob sich die berechneten Werte in einem realen Schichtstapel mit Fertigungstoleranzen, Grenzflächenverlusten und Materialalterung reproduzieren lassen, muss ein Experiment erst zeigen. Hinzu kommt die Notwendigkeit eines Magnetfelds, die den Aufbau kompakter Systeme erschwert, sowie die Beschränkung auf das mittlere Infrarot. Die Arbeit knüpft an eine Vorgängerstudie derselben Gruppe aus dem Frühjahr an, die mit einer anderen Materialkombination fünf Grad erreichte, und markiert damit einen erkennbaren Entwicklungspfad. Sichtbar wird dieser Wellenlängenbereich im Alltag ohnehin nur mit Hilfsmitteln, etwa mit einer Wärmebildkamera, die Temperaturunterschiede sichtbar macht, weshalb ein Nachweis im Labor aufwendige Messtechnik verlangt.
Laser & Photonics Reviews, Reconfigurable Giant Nonreciprocity at Near-Normal Incidence via Phase-Change Magneto-Optical Metagratings; doi:10.1002/lpor.71438