De stralingswet van Kirchhoff: schending van een natuurwet voor het eerst rechtstreeks gemeten
Wat goed straling absorbeert, straalt ook goed - dat is wat de stralingswet van Kirchhoff zegt. Er is nu een materiaal dat deze regel breekt. Dit zou onder andere kunnen helpen om zonnecellen te verbeteren.
Er is lang aangenomen dat de absorptie en de emissie van straling strikt aan elkaar gekoppeld waren. Een lichaam dat goed straling absorbeert, zendt ook goed straling uit. In 1860 vatte de Duitse natuurkundige Gustav Kirchhoff dit verband samen in de stralingswet die vandaag de dag naar hem vernoemd is: In thermisch evenwicht zijn de absorptie en emissie van straling gelijk voor een bepaalde golflengte en hoek ten opzichte van het oppervlak. Dit betekent dat een zwart voorwerp dat al het licht absorbeert ook de meest effectieve straler is - daarom wordt een ideaal stralingsspectrum ook wel blackbodystraling genoemd. Lange tijd stond deze relatie centraal bij het ontwerp van apparaten die straling absorberen en uitzenden. Maar theoretische overwegingen en simulaties suggereren al lang dat de relatie niet strikt geldig is.
Nu heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Harry A. Atwater van het California Institute of Technology in Pasadena gemeld dat ze inderdaad rechtstreeks een schending van de stralingswet van Kirchhoff hebben gedetecteerd. Ze gebruikten een zogenaamd magneto-optisch materiaal waarvan de optische eigenschappen veranderen wanneer er een magnetisch veld wordt toegepast. Het magnetische veld vergroot het vermogen om straling onder een bepaalde hoek uit te zenden, terwijl het de absorptie onder dezelfde hoek vermindert, meldt het team in zijn publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift "Nature Photonics". "Dit is het eerste experimentele bewijs dat de wet kan worden gebroken," zegt eerste auteur Atwater, volgens een persbericht van zijn instituut.
Het resultaat bevestigt eerdere studies van deze en andere onderzoeksgroepen, volgens welke magneto-optische materialen de wet van Kirchhoff zouden moeten kunnen ontkrachten. In de afgelopen jaren zijn hiervoor een aantal experimentele opstellingen voorgesteld, berekend en gesimuleerd. Het is echter nooit gelukt om het verschil tussen emissie en absorptie direct te meten. Het materiaal dat de werkgroep gebruikt bestaat uit twee lagen: een siliciumlaag met fijne groeven erin geëtst met intervallen van 500 nanometer en een onderliggende laag van de halfgeleider indiumarsenide, die gedoteerd is met onzuiverheidsatomen en een diëlektrische constante heeft die bij een bepaalde golflengte bijna nul is.
"Het apparaat combineert een materiaal dat sterk reageert op een magnetisch veld met een patroonstructuur die de absorptie en emissie in infrarode golflengten verbetert," legt Atwater's collega Komron Shayegan uit volgens het persbericht. Zonder een magnetisch veld gehoorzaamt de structuur aan de stralingswet van Kirchhoff. Zodra er echter een matig magnetisch veld wordt toegepast, zijn de emissie- en absorptie-efficiëntie onder bepaalde hoeken niet meer hetzelfde. Zulke materialen zouden de efficiëntie van energie-oogstende systemen zoals zonnecellen kunnen verbeteren, zegt Shayegan. "Als een zonnecel geen straling terug zou zenden naar de bron, maar in plaats daarvan naar een andere energiecollector, zou een groter deel van de energie kunnen worden omgezet," legt de onderzoeker uit.
Spectrum van de wetenschap
Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen goed onderbouwde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.
[[small:]]
Coverafbeelding: Shutterstock / foxbat
Deskundigen uit wetenschap en onderzoek doen verslag van de huidige bevindingen op hun gebied - deskundig, authentiek en begrijpelijk.