Als je materialen verhit, zenden ze licht uit volgens een bepaald patroon. Hoeveel straling dat maximaal is per golflengte, voorspelt de wet van Planck. Maar een speciaal ontworpen stukje wolfraam lijkt deze wet niet te volgen. Het zendt laserachtig licht uit met een acht keer hogere intensiteit dan verwacht.
Als een materiaal warm wordt, gaat het straling uitzenden. Een metalen pook gaat bijvoorbeeld rood gloeien als je hem in het vuur van een open haard houdt. Welke soorten of kleur straling het meest wordt uitgezonden, hangt af van de temperatuur. De pook wordt bijvoorbeeld ‘witheet’ als je hem verder verhit.
Zwarte straler
Volgens de wet van Planck kan geen enkel verhit materiaal meer straling uitzenden dan een ideale stralingsbron genaamd een ‘zwarte straler’. Een zwarte straler zendt bij een bepaalde temperatuur een breed spectrum van licht uit met de maximale intensiteit. Hoe heter de zwarte straler, hoe hoger de intensiteit van het uitgezonden licht.
Het nieuwe materiaal, dat is ontworpen door Amerikaanse onderzoekers, lijkt deze natuurwet te overtreden. Het zendt bij verhitting meer straling uit dan een zwarte straler zou doen.
‘De wet van Planck gaat over materialen in een thermodynamische evenwichtstoestand’, mailt Shawn Yu Lin, hoogleraar aan het Amerikaanse Rensselaer Polytechnic Institute. ‘Ons systeem is dat niet.’
Dat er geen evenwicht is, betekent dat er in het materiaal bijvoorbeeld warmtestromen zijn die van een warme naar een koudere plek bewegen. ‘We hebben de natuurwet dus niet écht overtreden’, zegt Lin. ‘We gebruiken een nieuwe manier om met warmte straling op te wekken.’
Bijzonder materiaal
Dat doen de onderzoekers met een zogeheten fotonisch kristal van wolfraam. Dit materiaal heeft een microscopische structuur die kleiner is dan de golflengte van het licht. Daardoor kan het de eigenschappen sturen van het licht dat erdoorheen beweegt. Het materiaal bestaat uit zes lagen wolfraam die net een beetje scheef op elkaar zijn geplaatst. Daarbovenop ligt een laagje silicium.
Als je dit materiaal van onderaf verhit, zendt de onderkant verschillende golflengtes licht het wolfraam in. Daar wordt het licht ‘samengeperst’ tot een beperkter aantal golflengtes. Het siliciumlaagje doet daar nog een schepje bovenop. Daardoor straalt de bovenkant uiteindelijk een intense lichtpiek uit, met een golflengte van 1,7 micrometer (nabij-infrarood).
Dit uitgezonden licht vergeleken de onderzoekers met dat van een vergelijkbare zwarte straler die tot dezelfde temperatuur werd verhit: 325 graden Celsius. De intensiteit van de stralingspiek bleek acht keer zo groot als die van de zwarte straler bij dezelfde temperatuur en golflengte.
Restwarmte
Er is nog geen volledige theoretische verklaring voor dit effect gevonden. Mogelijk komt het doordat het licht door de scheve laagjes wolfraam heen en weer kaatst in het fotonische kristal. Dat zou op een bepaalde manier kunnen gebeuren waardoor de eigenschappen van het licht veranderen. ‘Het is als een kunstmatig lasermateriaal’, zegt Lin.
De onderzoekers stellen voor dat hun materiaal mogelijk is te gebruiken om restwarmte van bijvoorbeeld industriële processen efficiënt om te zetten in licht. ‘Het lijkt mogelijk om het materiaal zo aan te passen dat het niet nabij-infrarood, maar bijvoorbeeld zichtbaar licht of ultraviolette straling uitzendt’, zegt Lin.
Temperatuurverschil
‘Ik ben niet overtuigd door de analyse en interpretatie’, mailt de Franse fysicus Jean-Jacques Greffet, die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘Het probleem is dat er geen onafhankelijke meting van de temperatuur is. Ik kan dus niet uitsluiten dat er een temperatuurverschil is tussen de zwarte straler en het onderzochte materiaal. Ik heb de numerieke berekening niet zelf gedaan, maar ik zou verwachten dat de temperatuur van de zwarte straler daalt doordat hij kan afkoelen door straling uit te zenden. Daarentegen kan het fotonische kristal op die manier niet efficiënt afkoelen, zodat het heter blijft. En dan zou er een temperatuurverschil zijn dat de metingen kan verklaren.’
Het materiaal zendt dus wellicht toch niet meer straling uit dan een zwarte straler. Maar ook dan is het een efficiënte manier om op een relatief gemakkelijke en goedkope manier led-achtig licht te produceren van een specifieke golflengte.
