Kirchhoffsches Strahlungsgesetz durch neues Material widerlegt

Einem Forscherteam der Penn State University ist ein historischer Durchbruch gelungen. Sie haben ein Material gefunden, Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung verletzt. Das könnte neue Möglichkeiten in den Bereichen Energiegewinnung, Infrarotsensorik und Wärmemanagement eröffnen.

Kirchhoffsches Strahlungsgesetz

Der deutsche Physiker Gustav Robert Kirchhoff formulierte 1859 das thermische Strahlungsgesetz, welches besagt, dass es einen Zusammenhang zwischen Absorption und Emission eines realen Körpers im thermischen Gleichgewicht gebe. Es besagt, dass Strahlungsabsorption und -emission bei gegebener Wellenlänge einander entsprechen: Ein Körper, der gut absorbiert, strahlt auch gut.

Dieses Prinzip bildet seit Jahrzehnten die Grundlage für Technik und Physik. Seit dem Jahr 2023 gibt es unter Forschern, so die Wikipedia, eine anhaltende Kontroverse darüber, ob das Gesetz gebrochen werden kann.

Durchbruch mit neuem Material

Einem Forscherteam der Penn State University ist mit einem neu entwickelten Material ein historischer Durchbruch gelungen, denn das Material verletzt das Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung.

Ich bin über obigen Post auf dieses Thema gestoßen, welches von Forschern um Zhenong Zhang im Forschungspapier Observation of Strong Nonreciprocal Thermal Emission zum 30. Juni 2025 veröffentlicht wurde. In der Veröffentlichung beschreiben die Forscher, dass sie mit einem speziell entwickelten Metamaterial ein rekordverdächtiges Maß an Nicht-Reziprozität, bei dem Emissions- und Absorptionsvermögen nicht mehr übereinstimmen, feststellen konnten.

Das nur zwei Mikrometer dicke Material besteht aus fünf maßgeschneiderten Halbleiterschichten. Es hat die Eigenschaft, dass Absorbtions- und Emissionsvermögen nicht gleich sind.

Die Forscher konnten zeigen, dass das Metamaterial unter einem Magnetfeld das Kirchhoffsche Gesetz stark verletzt. Der Unterschied zwischen Emissionsgrad und Absorptionsgrad bei gleicher Wellenlänge und gleichem Winkel beträgt bis zum Faktor 0,43.

Das bedeutet, dass das Material in einer Richtung deutlich mehr Wärme abstrahlt als es absorbiert Die signifikante nicht-reziproke Emission bleibt über weite Spektral- und Winkelbereiche bestehen.

Obwohl das Ganze nur im Labor messtechnisch nachgewiesen, nicht aber experimentell realisiert wurde, könnte dies ein Ansatz für die systematische Erforschung der nicht-reziproken thermischen Photonik für Wärmemanagement, Infrarot-Tarnung und Energieumwandlung nützlich sein.

Die Hoffnung ist, dass sich dieses Verhalten bei Ansätzen zur Energiespeicherung, zur Wärmeübertragung und zur Thermosensorik nutzen lässt. Stichwörter sind Gewinnung und Speicherung von Solarenergie, Sensoren der nächsten Generation und thermische Dioden, was revolutionäre Technologie ermöglichen würde.