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Physik-Nobelpreise 2018: Physiker auf der Spur von »Star Trek«

Die drei Gewinner des Physik-Nobelpreises haben die Lasertechnologie entscheidend weiterentwickelt - und ein Stück Sciencefiction Wirklichkeit werden lassen.
Künstlerische Illustration eines Laserstrahls, der auf ein Auge trifft.

Im Fernsehen sieht es so einfach aus: Erst zerstört die »Enterprise« mit ihren Phasern den Antrieb des Gegners. Dann schaltet sie den Traktorstrahl ein. Der farbige Lichtkegel erfasst das andere Raumschiff mit zauberhafter Leichtigkeit und hält es fest im Griff. Mission erfüllt.

In den 1960er Jahren verfolgte eine ganze Generation von Fernsehzuschauern, was Captain Kirks fliegende Untertasse da tat – und die allermeisten dürften es für eine leicht alberne Zukunftsvision gehalten haben. Arthur Ashkin sah das wohl anders. Jedenfalls machte sich der 1922 geborene Physiker zu dieser Zeit daran, das Prinzip des Traktorstrahls im Labor zu kopieren. Nicht in der Größenordnung der »Enterprise«, sondern im Miniaturmaßstab.

Und siehe da: In den folgenden Jahrzehnten entwickelte der US-Amerikaner ein Verfahren, mit dem sich Atome und später sogar Kleinstorganismen elegant einfangen ließen – und das einzig mit der Kraft des Lichts. Für diese »optische Pinzette« hat der Amerikaner nun eine Hälfte des Physik-Nobelpreises 2018 erhalten.

Nobelpreisträger für Physik 2018
Nobelpreisträger für Physik 2018 | Die diesjährigen Laureaten (von links nach rechts): Arthur Ashkin, Gérard Mourou und Donna Strickland.

Die andere Hälfte teilen sich der Franzose Gérard Mourou von der École Polytechnique in Palaiseau und die Kanadierin Donna Strickland von der University of Waterloo, wie die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften am Dienstag mitteilte. Mourou und Strickland haben Mitte der 1980er Jahre etwas entwickelt, das vor einigen Jahrzehnten ebenfalls wie Sciencefiction wirkte: eine Technik, mit der sich Lichtpulse immer weiter verstärken lassen.

Die diesjährigen Nobelpreise zielen auf Weiterentwicklungen einer Technologie, die seit genau 60 Jahren in der Welt ist – den Laser. Er ist gewissermaßen der Kontrollfreak in der Welt des Lichts. Wo eine Schreibtischlampe munter allerlei Wellenlängen aussendet, die sich in alle Richtungen ausbreiten und wild überlappen, legt ein Laser klar fest, was für Licht seine Öffnung verlässt. Meist ist dies nur Strahlung einer einzelnen Wellenlänge, die viel geordneter und intensiver daherkommt als das Licht einer Lampe.

Arthur Ashkin war Mitte der 1960er Jahre sicher: Derart fokussiertes Licht kann eine merkliche physische Kraft auf Objekte ausüben. Das war ein mutiger Gedanke. Hatten Physiker nicht bereits um das Jahr 1900 gezeigt, dass der »Strahlungsdruck« von elektromagnetischen Wellen viel zu schwach war für solche Kunststücke? Ashkin aber blieb hartnäckig. 1970 zeigte er an den berühmten Bell Laboratories, dass geschickt eingesetzte Laserstrahlen winzige dielektrische Partikel anschubsen können. Im Jahr darauf ließ er die Kügelchen, die gerade mal einige tausendstel Millimeter maßen, sogar für kurze Zeit schweben.

Mini-Traktorstrahl im Labor

15 Jahre später, im Jahr 1986, gelang dem Physiker mit seinem Team dann der große Durchbruch: Die Forscher veränderten einen Laserstrahl so, dass sich winzige Partikel, die von ihm erfasst wurden, entgegen der Flugrichtung und zur Mitte des Strahls bewegten. Bald darauf ließen sich mit dieser optischen Pinzette auch Atome festhalten – ein Kunststück, das drei von Ashkins Kollegen um den späteren US-Energieminister Steven Chu 1997 den Nobelpreis bescheren sollte.

Ob Gérard Mourou und seine Doktorandin Donna Strickland Fans von Captain Kirk und der »Enterprise« waren, ist nicht überliefert. Jedenfalls wollten sie Mitte der 1980er Jahre leistungsfähigere Laser entwickeln. Zu jener Zeit stagnierte die Entwicklung auf diesem Gebiet, zumindest wenn es darum ging, die genau kontrollierten Strahlen in kurze, aber möglichst starke Pakete zu zerteilen.

Schon seit Mitte der 1960er Jahre war es Wissenschaftlern nicht mehr gelungen, die Intensität solcher Laserpulse weiter zu steigern. Zwar konnte man sie verstärken, indem man sie durch spezielle Zellen jagte, in denen immer mehr Lichtteilchen dazustießen. Wollte man damit aber die Lichtintensität der Pulse auf mehr als eine Billiarde Watt pro Quadratzentimeter steigern, gingen die Zellen jedoch kaputt.

Laut Nobelkomitee stießen Mourou und seine Doktorandin Strickland in einem populärwissenschaftlichen Artikel auf den Gedanken, der zur Lösung führte. In Radaren lassen sich Radiowellen enorm verstärken, indem sie gestreckt werden. Wieso sollte das Prinzip nicht auch für kürzere Wellenlängen funktionieren, wie zum Beispiel die des sichtbaren Lichts, fragten sich die beiden.

CPA-Technik
Chirped Pulse Amplification

Der Franzose und die Kanadierin übertrugen den Gedanken letztlich auf Laserpulse: Sie lenkten die Lichtschnipsel, die aus mehreren, dicht beisammenliegenden Wellenlängen bestehen, durch einen 1,4 Kilometer langen Strang eines Glasfaserkabels. Der langwellige Teil des Pulses bewegte sich darin etwas schneller als kürzere Schwingungsteile. Damit wurde das Wellenpaket in die Länge gezogen.

Ein gepimpter Laserpuls

Währte der Puls anfangs nur zwei billionstel Sekunden, war er nach der Behandlung 150-mal so lang. Das aber machte einen entscheidenden Unterschied, wenn es darum ging, mehr Lichtteilchen in das Paket zu packen: Bei einem längeren Puls musste in den Verstärkerzellen längst nicht mehr so viel Energie pro Zeiteinheit deponiert werden wie beim Aufpumpen eines kürzeren Laserschnipsels. Der Clou: Nach dem Verstärken schoben Mourou und Strickland den Wellenzug wieder auf seine ursprüngliche Länge zusammen – fertig war der gepimpte Laserpuls.

1985 veröffentlichten die beiden ihr als »Chirped Pulse Amplification« (CPA) bekanntes Verfahren in einem Fachmagazin – für die damals 26-jährige Strickland war es die erste wissenschaftliche Veröffentlichung überhaupt. Dank CPA, das mittlerweile in leicht abgeänderter Form in vielen Laboren angewendet wird (siehe Grafik), legten Laserpulse in den Folgejahren wieder deutlich an Leistung zu. Der Trend hält bis heute an: Die nächste Generation großer Laseranlagen soll hundertmillionenfach höhere Pulsintensitäten als Mitte der 1980er Jahre erreichen.

Mourous und Stricklands Erfindung legte aber nicht nur die Basis für stärkere Laser. Mit CPA war es plötzlich auch möglich, deutlich mehr Pulse in Serie abzusetzen. Statt bloß einige wenige Schüsse am Tag abzugeben, feuerten gepulste Laser, die auf jeden Schreibtisch passten, bald Dutzende Male pro Sekunde.

Kino der Moleküle

Das bereitete letztlich einer anderen Laserrevolution den Weg: Forscher setzten einzelne Atome extrem verstärkten und maßgeschneiderten Lichtpaketen aus. Damit lassen sich einzelne Elektronen kurzzeitig von ihren Atomkernen entfernen, nur um dann kurz darauf mit großer Geschwindigkeit den Rückwärtsgang einzulegen. Dabei bewegen sie sich so schnell, dass extrem kurze Lichtpulse freigesetzt werden, die gerade einmal ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde währen.

Mit Hilfe dieser Attosekunden-Pulse lassen sich mittlerweile die extrem schnellen Bewegungen von Elektronen wie in einem Film festhalten. Auf dem Weg zu diesem »Molekül-Kino« waren in den 2000er Jahren jedoch weitere, potenziell nobelpreiswürdige Arbeiten nötig – es ist also sehr wahrscheinlich, dass die Laserphysik in Zukunft erneut im Fokus des Stockholmer Nobelkomitees stehen wird.

Der Nobelpreis 2018 wird auch deshalb in Erinnerung bleiben, weil mit Donna Strickland eine Forscherin die höchste Auszeichnung der Wissenschaften erhalten hat. Sie ist erst die dritte Gewinnerin in der Geschichte des Physik-Nobelpreises und die erste seit 55 Jahren. Daneben wurde dieses Jahr deutlich, dass das Nobelkomitee längst nicht nur Grundlagenforschung auszeichnen will, die zum Staunen anregt, wie etwa die 2017 prämierte Entdeckung von Gravitationswellen. Der Nobelpreis solle auch dazu dienen, Erfindungen zu würdigen, betonte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften bei der Bekanntgabe der Preisträger.

Grundlagenforschung mit Folgen

Aus Sicht des Nobelkomitees sind die 2018 prämierten Entdeckungen Paradebeispiele dafür, wie physikalische Grundlagenforschung kaum sichtbar das Leben vieler Menschen verändern kann. So spielen präzise einstellbare Hochintensitätslaser, wie sie die CPA-Verstärkungstechnik möglich gemacht hat, eine Schlüsselrolle bei Millionen Augenoperationen, die jedes Jahr stattfinden.

Auch Ashkins optische Pinzette sollte letztlich eine große Bedeutung außerhalb der Physik erhalten: Ende der 1980er Jahre begann der Amerikaner mit seinem Mini-Traktorstrahl lebende Zellen einzufangen. Zunächst töteten die energiereichen Strahlen die empfindlichen Organismen noch, nach einigen Anpassungen konnte Ashkin selbst Viren und Bakterien heil einfangen.

Seitdem haben Wissenschaftler die Methode weiterentwickelt, sie ist heute ein weit verbreitetes Verfahren beim Beobachten biologischer Prozesse. Forscher haben damit unter anderem die mechanischen Eigenschaften von DNA-Strängen untersucht, aber auch bessere Einsichten in das Verhalten so genannter Motorproteine gewonnen.

Ashkin ging 1992 in Ruhestand, forscht aber noch immer, vor allem in einem bei sich zu Hause eingerichteten Labor. Als der 96-Jährige am Dienstagmorgen vom Nobelkomitee angerufen wurde, soll er gesagt haben, er habe keine Zeit für Interviews – ein wichtiger neuer Fachaufsatz von ihm sei gerade in Arbeit. Träume erfüllen ist eben eine Frage der Prioritäten – und meist auch harte Arbeit.

40/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 40/2018

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