Seit mehr als 160 Jahren richten sich Ingenieurinnen und Ingenieure nach einer Regel, die Gustav Kirchhoff 1860 aufstellte: Eine Oberfläche, die Infrarotstrahlung aus einer bestimmten Richtung gut aufnimmt, muss sie in dieselbe Richtung ebenso gut abgeben. Diese Symmetrie, eine Folge der in den Maxwell-Gleichungen verankerten Lorentz-Reziprozität, machte es schwer, das Eintreten und das Austreten von Wärme als zwei getrennt steuerbare Vorgänge zu behandeln.
Eine Gruppe unter Leitung von Professor Koichi Okamoto und Dr. Shunsuke Murai an der Graduate School of Engineering der Osaka Metropolitan University hat nun einen Weg daran vorbei gezeigt. In der Fachzeitschrift Laser & Photonics Reviews beschreibt das internationale Team ein geschichtetes Bauelement, das Wärmeenergie aus einer Richtung aufnehmen und in eine andere abstrahlen kann — und das, ungewöhnlich, bei Winkeln nahe der Senkrechten, wo reale Geräte tatsächlich arbeiten.
Zwei Materialien, ein Kniff
Das Bauelement kombiniert zwei gut untersuchte Bestandteile. Eine Wellenleiterschicht aus Indiumarsenid, einem Halbleiter, dessen Elektronen auf ein Magnetfeld reagieren, bricht die übliche Symmetrie: In einem quer zur Ausbreitungsrichtung ausgerichteten Feld — der sogenannten Voigt-Konfiguration — koppelt Strahlung, die in die eine Richtung läuft, anders als Strahlung in die Gegenrichtung. Darüber liegt ein nanoskaliges Gitter aus GST, der Germanium-Antimon-Tellur-Verbindung, die man aus wiederbeschreibbaren Discs kennt. GST lässt sich durch einen kurzen Wärmeimpuls zwischen einem ungeordneten und einem geordneten Strukturzustand umschalten und behält diesen Zustand ohne anliegende Energie bei.
Frühere Ansätze zur gerichteten Wärmesteuerung funktionierten nur bei steilen Winkeln von 60 bis 70 Grad, bei denen Aufnahme und Abgabe beide schwach sind. Indem das Team das Gitter so gestaltete, dass nahezu senkrecht einfallendes Licht in geführte Moden gelenkt wird, berichtete es von einem gerichteten Kontrast von etwa 0,90 bei nur drei Grad zur Senkrechten unter einem moderaten Magnetfeld. Das Umschalten des GST zwischen seinen beiden Zuständen schaltet den Effekt ein oder aus und rastet ihn ein.
„Wir haben Wärmestrahlung dazu gebracht, sich ‚intelligenter' zu verhalten", sagte Murai. Die GST-Schicht verleiht dem Bauelement gewissermaßen ein Gedächtnis, sodass eine gewählte thermische Konfiguration einen Stromausfall übersteht — ein Manko, das frühere Entwürfe geplagt hatte.
Die Forschenden verstehen die Arbeit als frühen Schritt hin zu kompakten Bauteilen, die Wärme mit der Präzision handhaben, die die Elektronik beim elektrischen Strom erreicht. Okamotos Ziel sind Geräte für „intelligentere Infrarotsensoren, effizientere Energiesysteme und neue Arten photonischer Speicher, die Informationen mithilfe von Licht und Wärme statt elektrischer Ladungen ablegen". Mögliche Anwendungen reichen von Kühlpaneelen auf Dächern über Satellitensensoren bis zu Infrarotstrahlern.