Lange Zeit ging man davon aus, dass Aufnahme und Abgabe von Strahlung streng aneinander gekoppelt sind. Ein Körper, der Strahlung gut absorbiert, strahlt auch wieder gut ab. 1860 fasste der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff diesen Zusammenhang im heute nach ihm benannten Strahlungsgesetz zusammen: Im thermischen Gleichgewicht sind Strahlungsabsorption und -emission bei einer gegebenen Wellenlänge und Winkel zur Oberfläche gleich. So ist ein schwarzes Objekt, das alles Licht absorbiert, gleichzeitig der effektivste Strahler – weswegen man ein ideales Strahlungsspektrum auch als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. Dieser Zusammenhang war lange Zeit zentral für die Konstruktion von Strahlung absorbierenden und aussendenden Gerätschaften. Doch theoretische Überlegungen und Simulationen hatten schon länger nahegelegt, dass die Beziehung nicht streng gilt.

Nun meldet eine Arbeitsgruppe um Harry A. Atwater vom California Institute of Technology in Pasadena, dass sie tatsächlich eine Verletzung des kirchhoffschen Strahlungsgesetzes direkt festgestellt hat. Sie verwendete dazu ein so genanntes magnetooptisches Material, dessen optische Eigenschaften sich durch das Anlegen eines Magnetfelds ändern. Das Magnetfeld lasse die Fähigkeit ansteigen, Strahlung in einem bestimmten Winkel auszusenden, während es die Absorption im gleichen Winkel senke, berichtet das Team in seiner Veröffentlichung in der Fachzeitschrift »Nature Photonics«. »Dies ist der erste experimentelle Beweis dafür, dass das Gesetz gebrochen werden kann«, sagt Erstautor Atwater laut einer Pressemitteilung seines Instituts.

Das Ergebnis bestätigt frühere Studien dieser und anderer Arbeitsgruppen, nach denen magnetooptische Materialien in der Lage sein sollten, das kirchhoffsche Gesetz zu widerlegen. In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Versuchsaufbauten dafür vorgeschlagen, berechnet und simuliert. Allerdings gelang es nie, den Unterschied zwischen Emission und Absorption direkt zu messen. Das von der Arbeitsgruppe verwendete Material besteht aus zwei Schichten: einer Siliziumschicht, in die im Abstand von 500 Nanometer feine Rillen eingeätzt sind, und einer darunter liegenden Schicht aus dem Halbleiter Indiumarsenid, der mit Fremdatomen dotiert ist und bei einer bestimmten Wellenlänge eine Dielektrizitätskonstante nahe null hat.

»Das Gerät kombiniert ein Material, das stark auf ein Magnetfeld reagiert, mit einer gemusterten Struktur, die Absorption und Emission in infraroten Wellenlängen verstärkt«, erklärt Atwaters Mitarbeiter Komron Shayegan laut Pressemitteilung. Ohne Magnetfeld gehorcht die Struktur dem kirchhoffschen Strahlungsgesetz. Doch sobald ein moderates Magnetfeld anliegt, seien Emissions- und Absorptionseffizienz bei bestimmten Winkeln nicht mehr gleich. Solche Materialien könnten die Effizienz von Energie erntenden Systemen wie Solarzellen verbessern, sagt Shayegan. »Wenn eine Solarzelle Strahlung nicht zurück zur Quelle aussenden würde, sondern gezielt zu einem anderen Energiesammler, könnte man einen größeren Teil der Energie umwandeln«, erklärt der Forscher.