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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.

          5 Min.

          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.

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          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
          Arthur Ashkin in Rumson, New Jersey : Bild: Reuters

          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.

          Mehr Licht auf kleinstem Raum

          Die beiden anderen frisch gekürten Nobelpreisträger, Donna Strickland und Gérard Mourou entwickelten in den achtziger Jahren an der University of Rochester ein Verfahren – das sogenannte Chirped Pulse Amplification –, um  kurze, aber für viele Anwendungen zu schwache Laserpulse noch weiter zu verkürzen und zu verstärken. Anfang der achtziger Jahre schien das Ende der Fahnenstange erreicht, die Laser ließen sich nicht weiter verstärken, ohne das Lasermedium, das zu ihrer Erzeugung benötigt wird, zu beschädigen. Strickland und ihr damaliger Doktorvater Mourou ersannen einen Trick: Man nehme einen Laserpuls dehne ihn in der Zeit und verstärke ihn, um den Puls dann wieder zusammenzupressen und so seine Dauer zu reduzieren. Durch das Stauchen wird quasi mehr Licht in ein kleineres Stück gepresst, der ursprüngliche Laserpuls wird dadurch kürzer und erheblich heller.

          Donna Strickland
          Donna Strickland : Bild: dpa

          Tatsächlich erwies sich das Verfahren als schwierig, da alle optischen Komponenten, die die Lichtpulse durchliefen, perfekt aufeinander abgestimmt werden mussten. Probleme bereitete unter anderem die 1,4 Kilometer lange Glasfaser, die zum Spreizen der einfallenden Laserpulse notwendig war. Es durfte unterwegs kein Licht verloren gehen. Im Jahr 1985 waren Strickland und Mourou soweit und veröffentlichten ihre Ergebnisse in den „Optics Letters“. Ihnen war es gelungen 300 Pikosekunden (10⁻¹² Sekunden) lange Laserpulse auf zwei Pikosekunden zu verkürzen und deren Energie auf das Sechsfache zu erhöhen.

          Mit ihrem Verfahren bereiteten sie „den Weg für die kürzesten und intensivsten Laserpulse, die je von der Menschheit geschaffen wurden“, erklärte das Nobelkomitee. Diese dauern mittlerweile nur noch wenige Attosekunden (10⁻¹⁸ Sekunden) und erreichen Leistungen von hundert Petawatt (10¹⁵ Watt).

          Die kurzen Lichtpulse können dazu genutzt werden, extrem schnell ablaufende Prozesse auf molekularer oder atomarer Ebene zu verfolgen. Zudem lassen sich mit intensiven Laserstrahlen kurzer Pulsdauer Werkstoffe bearbeiten, ohne sie zu erhitzen. Damit können etwa präzise Löcher in diverse Materialien gebohrt werden. Von der Erfindung, die Mourou und Strickland gemeinsam erarbeiteten, profitierten aber auch viele Patienten weltweit. Metallstents etwa, die Blutgefäße am Herzen offenhalten sollen, werden mit intensiven kurzen Laserpulsen produziert.

          Gérard Mourou
          Gérard Mourou : Bild: dpa

          Am bekanntesten dürfte die Korrektur von Kurzsichtigkeit sein,durch die Abtragung von Hornhaut mittels kurzer Laserpulse. Künftig könnten auch neue Medikamente, effizientere Solarzellen oder bessere Katalysatoren erzeugt werden, sagte das Nobel-Komitee am Dienstag.

          Die drei Physik-Laureaten

          Arthur Ashkin wurde am 2. September 1922 in New York City geboren. Nach seinem Physikstudium promovierte er an der Cornell Universität in Ithaca im Bundesstaat New York in Kernphysik. 40 Jahre lang arbeitete er an den Bell Laboratories, der ehemaligen Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T. Ashkin trug zu vielen Bereichen der experimentellen Physik bei. Er hält 47 Patente und verfasste viele wissenschaftliche Arbeiten. Er ist er mit 96 Jahren der älteste Wissenschaftler Mensch, der je einen Nobelpreis bekam.

          Donna Strickland, geboren am 27 Mai 1959 im kanadischen Guelph, erlangte ihren Bachelor 1981 an der McMaster Universität in Hamilton. Sieben Jahre später promovierte sie an der University of Rochester bei Gérard Mourou. Nach wissenschaftlichen Aufenthalten unter anderem in Princeton arbeitet Strickland seit 1997 in Waterloo. Zu ihren Fachgebieten gehören Laser-Materie-Interaktionen, nichtlineare Optik und Lasersysteme. In ihrem Forschungsgebiet erhielt sie schon mehrere Auszeichnungen. Als Präsidentin führte sie die internationale physikalische Wissenschaftsgesellschaft Optical Society. Strickland ist nach Marie Curie und Maria Goeppert-Mayer die dritte Frau, die einen Nobelpreis für Physik erhält.

          Gérard Mourou, am 22. Juni 1944 in Albertville geboren, studierte Physik an der Universität Grenoble und schloss dort mit dem Vordiplom ab. 1967 wechselte er an die Université Paris in Orsay, wo er 1970 diplomiert und 1973 promoviert wurde. Als Post-Doktorand war er an der San Diego State University in Kalifornien. In den Jahren 1979 bis 1988 arbeitete an der University of Rochester in New York. 1988 war er Professor an der University of Michigan. Später kehrte er nach Frankreich zurück und ist Direktor des Laboratoire d’Optique Appliquée, der École Polytechnique in Paris.

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