Das schwärzeste Schwarz aller Zeiten

Hier geht es nicht um die neue Entwicklung einer Technik, sondern um ihre erfolgreiche Anwendung: Forscher des NIST (National Institute of Standards and Technology, USA) ist es gelungen, einen Leistungs-Detektor für Laserlicht mit dem bislang dunkelsten Schwarz zu beschichten, das bis heute möglich ist. Dabei handelt es sich um eine Art Wald aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese Beschichtung absorbiert so gut wie alles Licht im sichtbaren und infraroten Bereich. Der in einem Artikel in Nano Letters beschriebene Sensor erlaubt die Leistungsmessung von Lasern in vielen Anwendungen mit sehr hoher Präzision.
 
Das NIST-Forscher-Team ließ sich von einem Artikel des RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, USA) in Nano Letters des Jahres 2008 über „the darkest man-made material ever“ inspirieren und konstruierte eine verstreute Anordnung feinster Nanoröhrchen als Beschichtung eines thermischen Sensors, mit dem man die Lichtleistung von Lasern messen kann. Die Beschichtung selbst wurde an der Stony Brook University (New York) hergestellt. Das in der Beschichtung absorbierte Licht wird dank minimaler Reflektion nahezu vollständig in Wärme umgewandelt, welche dann vom pyroelektrischen Sensor aus Lithium-Tantalat registriert wird. Die Temperaturerhöhung wird in einen messbaren äquivalenten Strom transformiert. Je schwärzer die Beschichtung, desto weniger Reflektion und desto präziser ist die Leistungsmessung.
 
Der NIST-Sensor reflektiert weniger als 0,1% des eingestrahlten Lichts gleichmäßig vom tiefsten UV bei 400 nm bis hin zum nahen IR bei 4 μm. Im IR-Bereich von 4...14 μm wird bis zu 1% des Lichts reflektiert. Die praktischen Ergebnisse entsprechen somit vollständig den experimentellen Ergebnissen der Forschung des RPI. Das Besondere an der Arbeit des NIST ist, dass hier die Nanoröhren direkt auf pyroelektrisches Material aufgebracht wurden, während andere Forschungsgruppen solche Schichten lediglich auf Silizium als Grundlage aufwachsen ließen. Aktuell wird am NIST daran gearbeitet, den Funktionsbereich der Beschichtung auf langwelliges IR-Licht bis hin zu 50 oder gar 100 µm auszuweiten, um damit auch Terahertz-Strahlung messen zu können.
 
Die neuartige Beschichtung ist eine Art vertikaler Wald aus mehrwandigen Nanoröhren mit 10 nm Durchmesser und 160 nm Länge. In den Zwischenräumen wird das Licht gefangen und durch die zufällige Anordnung ergibt sich eine diffuse Streuung. Die Messung des durch diese Schicht reflektierten Lichts war ebenfalls eine technische Herausforderung: Es dauerte hunderte Stunden bis man mit fünf verschiedenen Methoden diese minimale Reflektion genau genug erfasst hatte. Drei der verwendeten Methoden erlaubten zudem einen Vergleich der Reflektion mit einem kalibrierten Standard.