Licht maken uit 'nutteloze' warmte

Warmte wordt meestal beschouwd als de meest 'nutteloze' vorm van energie. Licht, daarentegen, is een heel nuttige vorm: het kan energie gemakkelijk, en zonder verlies, over grote afstanden verplaatsen. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder diverse wetenschappers van het UvA-Institute of Physics, heeft nu aangetoond dat warmte soms omgezet kan worden in licht. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Light: Science & Apllications.

Warmte is de meest chaotische en moeilijkst controleerbare  vorm van energie. Licht, daarentegen, is de 'elegantste' vorm: een lichtstraal vervoert met grote snelheid identieke energiequanta over willekeurig grote afstanden, zonder ook maar het geringste energieverlies. Dit staat in schril contrast met bijvoorbeeld het transport van elektriciteit, een andere nuttige en in de maatschappij veel gebruikte vorm van energie. Zodra licht op zijn bestemming aankomt, kan de energie erin omgezet worden in elektriciteit (zonnecellen), chemische energie (ontleding van water en door licht gedreven katalyse) of warmte.

In hun recentste artikel, dat in het Nature-Springer Publication Group-tijdschrift Light: Science & Applications verschenen is, tonen IoP-onderzoekers en hun collega's aan dat kleine korreltjes van kristallijn silicium – Si-nanokristallen – het schijnbaar onmogelijke presteren: ze zetten een deel van hun thermische energie (fononen) om in licht (fotonen).

Het onderzoek werd gedaan door de onlangs gepromoveerde Elinore de Jong, uit de TGG work group van Tom Gregorkiewicz aan het Van der Waals-Zeeman Institute van het IoP, in samenwerking met haar Master's-student Huub Rutjes en geflankeerd door postdoc Antonio Capretti en een team van internationale collega's van de Columbia-universiteit (New York), het Ioffe-instituut (St. Petersburg) en de Karelsuniversiteit (Praag).


De dissipatie van warmte door het genereren van fononen leidt in veel toepassingen tot een ongewenste afname van de efficiëntie. In zonnecellen gaat zo bijvoorbeeld een groot gedeelte van de energie van fotonen in het 'blauwe' deel van het zonnespectrum verloren aan warmte. In hun onderzoek pakken De Jong en haar collega's dit probleem aan door gebruik te maken van het nog relatief onontgonnen onderzoeksgebied van fononen-management in nanostructuren.
Ze gebruikten daarvoor dunne lagen van silicium-nanokristallen (met een dikte van grofweg een nanometer), verspreid over een matrix van silicium-dioxide. In hun artikel laten de onderzoekers zien dat door de relatief hoge concentratie van fononen, door de opsluiting in de nanostructuur, de hoeveelheid straling die wordt uitgezonden toeneemt, waardoor op efficiëntere wijze licht geproduceerd wordt.

Deze resultaten vormen de eerste stappen op weg naar een gecontroleerde manipulatie van warmte in nanostructuren. Aangezien de onderzoekers dit effect hebben ontdekt in het niet-giftige en volop verkrijgbare materiaal Si - een materiaal dat al op allerlei gebieden toepassingen vindt - zijn de resultaten van direct belang voor toepassingsgebieden zoals Si-fotonica en Si-fotovoltaïsche cellen.