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Physik-Nobelpreis 2018 : Eine Zange aus lauter Licht

Vom Forschungszentrum des European XFEL in Schenefeld zeichnen grüne Laserstrahlen ihre Bahn in Richtung Hamburg. Sie läuten symbolisch den Start des hellsten Röntgenlasers der Welt am 1.09.2017 ein. Bild: Christophe Gateau/dpa

Der Physik-Nobelpreis geht im diesem Jahr an die Laserphysiker Arthur Ashkin, Donna Strickland und Gérard Mourou. Sie haben Lichtstrahlen in Präzisionswerkzeuge verwandelt und damit das Anwendungsspektrum der Lasertechnik immens erweitert.

          Ob in der Unterhaltungsindustrie, Telekommunikation, Chirurgie, Industrieproduktion oder in der Messtechnik – die Anwendungen des Lasers sind heutzutage so vielfältig wie die verschiedenen existierenden Lasertypen. Während der kleinste Laser kaum größer ist als ein  Sandkorn, füllen die leistungsfähigsten Lasergeräte ganze Hallen. Letztere erzeugen extrem hohe Lichtintensitäten und kurze Lichtpulse, mit denen sich schnellen Vorgänge in Atomen und Plasmen verfolgen lassen. Die Liste ließ sich noch beliebig weiterführen. Für zwei bahnbrechende Entwicklungen in der Laserphysik werden dieses Jahr Arthur Ashkin von den Bell Laboratories in Holmdel sowie Gérard Mourou von der Ecole Polytechnique sowie Donna Strickland von der University of Waterloo in Kanada mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Der gebürtige Amerikaner Ashkin, dem eine Hälfte des Preises zuerkannt wird, hat die sogenannte optische Pinzette erfunden, mit der man Atome, Moleküle, aber auch lebende Zellen ergreifen, festhalten und manipulieren kann. Der Franzose Mourou und die Kanadierin Strickland, die sich die andere Hälfte der Auszeichnung teilen, haben in den achtziger Jahren ein Verfahren entwickelt, mit dem sich intensive ultrakurze Lichtpulse erzeugen lassen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Arthur Ashkin hatte in den sechziger Jahren einen Traum. Er wollte mit dem Licht des gerade erfundenen Lasers, Objekte ergreifen und mit Zauberhand frei im Raum schweben lassen und hin und her bewegen. Ashkins Idee war es, dazu den Strahlungsdruck des Laserstrahls zu nutzen. An den unweit von New York gelegenen Bell Laboratories, wo er seit 1952 arbeitete, experimentierte er mit den Lichtquellen, die kohärente elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und infraroten Spektrum aussandten. Und tatsächlich: Als er in den Strahlengang seines Lasers mikrometergroße durchsichtige Kügelchen brachte, begannen diese zu schweben und in das Zentrum des Strahls zu wandern, also dorthin, wo die Lichtintensität am höchsten war. Als Antriebskraft kam nur der Strahlungsdruck in Frage. Ashkin wollte, dass sich seine Kugeln auch in Richtung des Strahls bewegten. Dazu fokussierte er den Laserstrahl mit einer starken Linse auf einen kleinen Fleck. Zur Freunde des Physikers wanderten seine Kügelchen in Richtung des Brennpunkts, also auch wieder an die Stelle mit der höchsten Intensität. Arthur Ashkin hatte eine Lichtfalle erfunden. Wie mit einer Pinzette konnte er mit dem Laserstrahl seine Kugeln sogar hin und her bewegen.

          Eine Vision wird Wirklichkeit

          Das Ergreifen und fixieren von Atomen mit Lichtstrahlen war damals noch nicht möglich. Dazu war die Intensität der verfügbaren Laser zu gering. Zudem waren Atome einfach zu schnell, um sie mit einem Laserstrahl einfangen zu können. Die Situation änderte sich, als in den achtziger Jahren andere Wissenschaftler optische Verfahren entwickelten, mit denen Atome fast bis zum Stillstand abgebremst werden konnten. Von da an war es nur ein verhältnismäßig kleiner Schritt, bis 1986 sich erstmals Atome mit einer Lichtpinzette fixieren ließen.

          Arthur Ashkin in Rumson, New Jersey

          Ashkin hatte sich inzwischen  anderen Versuchsobjekten zugewandt: Biomolekülen, Viren und lebenden Zellen. Eines Morgens, als er seine optische Pinzette, die er in der Nacht nicht ausgeschaltet hatte, genauer untersuchte, machte er eine bemerkenswerte Entdeckung. Neben den Tabak-Mosaic-Viren, die er mit seinem Laserstrahl in einer Flüssigkeit in der Schwebe hielt, tummelten sich unzählige Bakterien. Offenbar waren die Einzeller in den Brennfleck geraten, aus dem sie nicht mehr entkommen konnten. Der grüne Laserstrahl hatte ihnen allerdings den Garaus gemacht. Damit die Bakterien am Leben blieben, verwendete Ashkin einen schwächeren infraroten Laserstrahl. Und er hatte Erfolg. Der Physiker konnte wenig später zeigen, dass sich mit einer optischen Pinzette sogar lebende eukaryotische Zellen fixieren ließen, ohne die Zellmembran zu beschädigen. Restlos überzeugt von den Möglichkeiten der Lichtpinzette waren Ashkins Kollegen, als er mit einem gebündelten Lichtstrahl das Motorprotein Kinesin untersuchen konnte, das hinter der Kontraktion der Muskelstränge steckt.

          Zahlreiche Anwendungen basierten auf den Entwicklungen von Ashkin, heißt es in der Begründung des Nobelkomitees. Sie ermöglichen es, Objekte zu beobachten, zu drehen, zu schneiden, zu stoßen oder zu ziehen. In vielen Laboren würden solche Laserpinzetten verwendet, um biologische Phänomene zu untersuchen.

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