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Laserspektroskopie : Der rasante Weg in das leuchtende Zeitalter

Der Lichtzauberer aus München

Für Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ist der Laser das ideale Werkzeug für Präzisionsmessungen, wie der Laureat am Dienstagmorgen in seinem Vortrag in der Inselhalle berichtete. Hänsch hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglichst präzise zu bestimmen. In den siebziger Jahren erwarb er sich an der Stanford University in Palo Alto bei dem Laserpionier Arthur Schawlow das Rüstzeug. Hänsch nutzte schon früh die modernsten Verfahren der Laserspektroskopie, um die Energiezustände des aus einem Elektron und einem Proton bestehenden Wasserstoffatoms möglichst präzise vermessen zu können - extremes schmalbandiges Laserlicht, das sich über einen großen Wellenlängenbereich variieren ließ und ausgeklügelte Methoden, die den störende Einfluss der Bewegung der Atome auf die Spektrallinien ausschalteten. Dank dieser Verfeinerungen hat Hänsch mit seinen Kollegen zunächst in Palo Alto und später in Garching die Frequenz der Spektralinien des Wasserstoffatoms immer genauer gemessen - manche Linien mittlerweile bis auf vierzehn Stellen genau. Die inzwischen erreichte Genauigkeit verblüfft sogar manche Theoretiker, deren Berechnungen mit den Messergebnissen kaum mithalten können.

Wasserstoff - Prüfstein der Physik

Aus der Frequenz einzelner Linien konnte Hänsch präzise Werte für den Protonenradius oder die Rydbergkonstante, die bei der Berechnung des Wasserstoffspektrums eine zentrale Rolle spielt - ableiten. Die Präzisionsmessungen erlauben zudem einen Test der Theorie der Quantenelektrodynamik. So hat man die sogenannte Lamb-Verschiebung extrem genau gemessen. Dieser Effekt, hervorgerufen durch den Austausch virtueller Teilchen zwischen Elektron und Proton, führt zu einer Verschiebung der Zustände und damit der Spektrallinien.

Lichtwellen zählen

Die Genauigkeit war lange dadurch begrenzt, dass sich die Frequenzen von Lichtwellen nur unzureichend bestimmen ließen. Das Lösung lieferte schließlich der sogenannte Frequenzkamm, den Hänsch und seine Kollegen in den neunziger Jahren entwickelten. Mit dem Instrument war es erstmals möglich, die Billiarden von Schwingungen, die eine Lichtwelle pro Sekunde vollführt, zu zählen und dadurch eine nur ungenau bekannte Frequenz eines Laborlasers präzise zu bestimmen.

Präzision ist ansteckend

Dank des Frequenzkamms ist man heute in der Lage, optische Frequenzen mit einer Genauigkeit von neunzehn Stellen stabil zu halten. Damit sind neuartige Atomuhren möglich, in denen nicht mehr die Mikrowellenschwingungen von Cäsiumatome als Taktgeber fungieren, sondern die wesentlich schnelleren optischen Frequenzen von Atomen. Hänsch, der dank einer Stiftungsprofessur unbefristet weiterforschen kann und eine Gruppe von hundert Wissenschaftlern unterhält, berichtete von einer Glasfaserleitung, die derzeit zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (PTB) und dem MPI für Quantenoptik verlegt wird. Sie soll die optische Atomuhr der PTB mit dem Cäsiumuhr in Garching synchronisieren. Die Präzision der Frequenzmessung erlaubt es, Naturkonstanten daraufhin zu prüfen, ob sie Konstant sind, oder sich nicht mit der Zeit um einen kleinen Betrag ändern. Astronomen verwenden den Frequenzkamm bei der Suche nach Exoplaneten. Durch den Umlauf eines Trabanten, der mit Teleskopen nicht gesichtet werden kann, verschieben sich die Spektrallinien des Sterns auf charakteristische Weise. Die Abweichungen lassen sich mit dem Frequenzkamm nachweisen.

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