Ein amerikanisches Wissenschaftlerteam der Sandia Nationallaboratorien und der Universität von Iowa hat ein metallisches photonisches Kristall aus Wolfram hergestellt. Das Kristall weist eine Bandlücke für Infrarotstrahlung zwischen 8 und 20 Mikrometern auf und könnte als Glühfilament in den Glühbirnen der Zukunft eingesetzt werden. Wie die Forscher in dem Fachmagazin Nature (Band 417 Seite 52) berichten, wäre eine derartige Glühbirne um ein zehnfaches effizienter als herkömmliche Modelle.
Die Forscher um Jim Fleming stellten die räumliche Struktur des photonischen Kristalls zunächst aus mit periodischen Siliziumstrukturen versetztem Siliziumdioxid her. Mittels eines Ätzverfahrens wurde das Silizium anschließend entfernt und die so entstandenen Löcher mit Wolfram aufgefüllt.
Das so entstandene metallische photonische Kristall weist eine elektromagnetische Bandlücke zwischen 8 und 20 Mikrometern im infraroten Bereich des Spektrums auf: Elektromagnetische Strahlung dieser Wellenlängen kann sich nicht in ihm ausbreiten, sie ist “verboten”. Dies stellt das optische Analogon zu der elektrischen Bandlücke für Elektronen in Halbleitern dar.
Die bei einer Erhitzung des Kristalls auf mehr als 1500 Grad Celsius freiwerdende Wärmestrahlung fällt zum Großteil in den Bereich dieser Bandlücke. Überraschenderweise führt dies zu der Umwandlung der Wärmestrahlung in sichtbares Licht. Ein Einsatz des Kristalls als Glühfilament in Glühbirnen würde daher deren Effizient von derzeit 5 auf mehr als 60 Prozent steigern, da keine unnütze Wärmestrahlung abgegeben, sondern diese vielmehr in sichtbares Licht umgewandelt wird.
Der physikalische Hintergrund dieser Umwandlung liegt derzeit noch im Dunkeln. Die Forscher vermuten, dass ein besonders starkes Absorptionsband in der Nähe der Bandlücke als ein Kanal für die Lichtemission dienen könnte. Dies muss allerdings in weiterführenden Experimenten noch genauer untersucht werden.
Stefan Maier
