Physiknobelpreis: Wie man die Kraft des Lichts nutzt

Ein US-Amerikaner, ein Franzose und eine Kanadierin teilen sich heuer den Physiknobelpreis: für eine optische Pinzette und eine Methode, mit der man Laserlicht intensivieren kann.

Gérard Mourou (Jahrgang 1944) und Donna Strickland (Jahrgang 1959) ebneten den Weg für die kürzesten und intensivsten Laserpulse, die die Menschheit je entwickelt hätten, erklärte das Nobelpreiskomitee.
Gérard Mourou (Jahrgang 1944) und Donna Strickland (Jahrgang 1959) ebneten den Weg für die kürzesten und intensivsten Laserpulse, die die Menschheit je entwickelt hätten, erklärte das Nobelpreiskomitee.
Gérard Mourou (Jahrgang 1944) und Donna Strickland (Jahrgang 1959) ebneten den Weg für die kürzesten und intensivsten Laserpulse, die die Menschheit je entwickelt hätten, erklärte das Nobelpreiskomitee. – Johan Jarnestad/The Royal Swedish Acadeny of Science

Wie wäre es, auf einem Lichtstrahl zu reiten? Das soll sich Albert Einstein schon als Teenager gefragt haben; in der Science-fiction-Literatur war erstmals 1934 (in „Triplanetary“ von Edward E. Smith) von Traktorstrahlen die Rede, solche sollten später in „Star Trek“ zu Transportzwecken dienen . . .

Solche Fantasien wirken auf den ersten Blick kontraintuitiv: Licht ist doch nichts Materielles, Lichtteilchen (Photonen) haben doch keine Masse, wie sollen sie dann massive Objekte stoßen, ziehen oder gar tragen?

So einfach ist es nicht. Ein Photon hat zwar keine Ruhemasse, trägt aber sehr wohl einen Impuls. (Dass es Energie hat, ist ohnehin klar.) Damit kann Licht auch einen Druck ausüben, das zeigte James Clerk Maxwell schon 1873, als man sich Licht und andere elektromagnetische Wellen nur eben als Wellen und nicht als Teilchen vorstellte.

Dieser Druck ist freilich bei alltäglichem Licht eher klein, spürbarer wird er bei Laserstrahlen, für deren Erforschung der Physiknobelpreis 1964 vergeben wurde, nur vier Jahre, nachdem der erste Laser gebaut worden war. Arthur Ashkin, damals in den legendären Bell Laboratories in New Jersey tätig, war unter den ersten, die mit diesem Gerät arbeiteten. Und er machte sich – vielleicht inspiriert von „Star Trek“ – daran, ein Instrument zu bauen, das der Idee der Traktorstrahlen recht nahe kam: eine optische Pinzette, mit der man massive Objekte manipulieren kann. Und zwar nicht nur Objekte, die aus wenigen Atomen bestehen, sondern dielektrische Kugeln im Mikrometerbereich. Zunächst gelang es Ashkin, die Objekte in Richtung des Laserstrahls zu bewegen, dann, sie durch zwei einander entgegengesetzte Strahlen an einem Ort festzuhalten.

Manipulation von Bakterien

Es gelang ihm nicht nur mit leblosen Objekten, sondern bald auch mit Viren und sogar Bakterien. Diese allerdings vertrugen das allzu intensive grüne Laserlicht nicht, also fing sie Ashkin mit elektromagnetischer Strahlung geringerer Energie, mit Infrarot: In dieser Falle vermehrten sich die Bakterien sogar. Mit solchen optischen Pinzetten wurden wesentliche molekularbiologische Erkenntnisse gewonnen: zum Beispiel über molekulare Maschinen in der Zelle, etwa Ribosomen, an denen die Proteine wie am Fließband produziert werden.

Für andere Anwendungen soll ein Laserstrahl möglichst intensiv sein: ein möglichst kurzer Puls, in dem die Energie möglichst gebündelt ist. Doch zwischen 1970 und 1985 ging da wenig weiter: einfach weil die Pulse das Material beschädigten, in dem sie verstärkt werden sollten. Donna Strickland und Gérard Mourou fanden einen Ausweg: die „chirped pulse amplification“. Das schöne Wort „chirp“ bedeutet soviel wie zirpen, Physiker meinen damit, dass ein Signal seine Frequenz – und damit seine Energie – ändert. In diesem Fall wird sie verkleinert, anders gesagt: Das Signal wird zeitlich gedehnt. Dann wird es verstärkt (jetzt ohne Gefahr für das Material), dann wieder komprimiert. Nach einigen sozusagen grobmateriellen Problemen – auch Glasfiberkabel können brechen – gelang es Strickland und Moreau, ihre Methode der Kollegenschaft praktisch vorzuführen.

Laser für Augenoperationen

Diese superintensiven Laserpulse werden natürlich gern verwendet, um Materie zu bearbeiten. So werden Löcher mit Licht gebohrt, etwa in Material, das Daten speichern soll. In der Medizin nutzt man ebenfalls die Kraft des Lichts, etwa um Stents, mit denen Blutgefäße gedehnt werden, zu bearbeiten. Oder für Augenoperationen.

So sind die Physiknobelpreise heuer sehr anwendungsorientiert, die drei Preisträger sind auch Experimentalphysiker. Doch die Lasertechnik ist nicht nur ein Kind der Theorie (Einstein hat sie bereits 1917 vorhergesagt), sie kann auch bei dieser helfen. Etwa beim Verständnis von Prozessen, die sehr schnell vor sich gehen, im Bereich von Attosekunden (Milliardstel des Milliardstel einer Sekunde). Jeden Vorgang kann man ja nur mit Vorgängen messen, die noch kürzer dauern, hier drängen sich die ultrakurzen Laserpulse quasi auf.

Und sie werden immer kürzer und zugleich immer intensiver. Gérard Mourou entwickelt derzeit ein europäisches Forschungsprojekt namens „Extreme Light Infrastructure“, das Laserleistungen im Bereich von 100 Petawatt (1017 Watt) anstrebt.

Auf einen Blick

Der Nobelpreis für Physik wurde in diesem Jahr zweigeteilt: Eine Hälfte geht an Arthur Ashkin (USA) für seine Forschung an optischen Pinzetten. Die andere Hälfte teilen sich wiederum Gérard Mourou (Frankreich) und Donna Strickland (Kanada) für ihre Methode zur Erzeugung hochintensiver, ultrakurzer optischer Pulse. Die Auszeichnung ist wie im Vorjahr mit neun Millionen Schwedischen Kronen (870.000 Euro) dotiert. Beiden Forschungen gelten als Durchbrüche der Laserphysik.

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