Physik-Nobelpreis 2005 für Quantenoptiker

Den Physik-Nobelpreis 2005 teilen sich drei Forscher für ihre Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenoptik – darunter auch der Deutsche Theodor W. Hänsch, Leiter des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München.

1905 begründete Albert Einstein die Quantenoptik, die Beschreibung optischer Phänomene mit Hilfe quantentheoretischer Ideen. 16 Jahre später erhielt Einstein für diese Arbeit den Nobelpreis – ein volles Jahrhundert später geht ein weiterer Nobelpreis an Quantenoptiker. Die Auszeichnung ist mit zehn Millionen schwedischen Kronen (1,1 Millionen Euro) dotiert.

Theoretische Quantenoptik

Eine Hälfte des Nobelpreises 2005 geht an Roy J. Glauber für seinen Beitrag zur Quantentheorie der optischen Kohärenz: Anfang der 1960er Jahre gelang es Glauber, mit Hilfe der Werkzeuge der modernen Quantentheorie wellenartige Eigenschaften von Licht zu beschreiben.

Licht erscheint – wie alles Quantenartige – ambivalent. Je nachdem, mit welchen Methoden es gerade untersucht wird, treten wellenartige oder teilchenartige Eigenschaften zutage. So lässt sich beispielsweise ein Phänomen wie ein Regenbogen einfach mit der Idee der Welle beschreiben. Die Aufnahme von Licht in einem Detektor, wie zum Beispiel dem in einer Lichtschranke, erfolgt jedoch paketweise – ganz so, als bestünde Licht aus Teilchen, den so genannten Photonen. Keines der Konzepte „Welle“ oder „Teilchen“ reicht aus, um das Verhalten von Licht vollständig zu beschreiben.

Nicht nur unsere Vorstellungskraft wird hier zum Spagat aufgefordert. Bis zum Anfang der 1960er Jahre konnte auch die Physik die Frage, wie sich die wellenartigen Eigenschaften von Licht ergeben, wenn es aus mehr oder minder zufällig verteilten Photonen zusammengesetzt sein soll, nicht zufriedenstellend beantworten. Glauber gelang hier der theoretische Spagat zwischen Teilchen- und Wellenbeschreibung, indem er so genannte kohärente Zustände mathematisch untersuchte. In ihnen liegen die Photonen koordiniert vor und ergeben so das wellenartige Ganze. Mit den Arbeiten Glaubers und seiner Kollegen ließen sich auch erstaunliche experimentelle Ergebnisse erklären. Denn unter bestimmten Umständen können Photonen beispielsweise zusammenklumpen oder sich aus dem Wege gehen. Mit Glaubers Arbeiten wurde die Quantenoptik in eine neue Ära geführt.

Ein optisches Getriebe für die Zeit

John Hall und Theodor W. Hänsch teilen sich die zweite Hälfte des Nobelpreises für experimentelle Arbeiten im Bereich der Optik für ihre Beiträge zur Entwicklung der auf Laser gegründeten Präzisionsspektroskopie, einschließlich der optischen Frequenzkammtechnik. So haben die beiden eine Technik entwickelt, mit der sich Frequenzen von Licht (also die Farbe) mit bisher unerreichter Genauigkeit messen lassen.

Theodor Hänsch vor einem Versuchsaufbau

Die Forscher standen vor dem folgenden Problem: Licht schwingt viel zu schnell, als dass die Schwingungen pro Sekunde mit herkömmlichen Methoden gezählt werden können. Grünes Licht kommt beispielsweise auf rund 600 Billionen Schwingungen pro Sekunde. Computer und Atomuhren, die zur Zählung genutzt werden müssten, arbeiten aber gerade einmal mit rund 0,01 Billionen Schwingungen pro Sekunde.

Mit der Frequenzkammtechnik entwickelten die Forscher nun eine Art optisches Getriebe, welches die zu messende Frequenz in niedrigere Frequenzen übersetzt. Diese niedrigeren Frequenzen können dann gemessen werden und lassen genaue Rückschlüsse auf die ursprüngliche Frequenz zu.

Bei der Frequenzkammtechnik überlagert man das zu vermessende Licht mit dem Licht, das in einem so genannten Frequenzkammgenerator erzeugt wird. Dieser spaltet einen einfarbigen Laserstrahl, dessen Frequenz sehr genau bekannt ist, in ein Bündel hunderttausender Frequenzen mit gleichem Abstand auf. Dies erfolgt über eine Überlagerung des Laserlichts mit sich selbst, was zu sehr kurzen Laserpulsen führt. Dabei wird die grundlegende Eigenschaft von Wellen genutzt, dass in einem Wellenpaket umso mehr Frequenzen enthalten sind, je kürzer das Paket ist.

Bei der Überlagerung des zu vermessenden Lichts mit dem Frequenzkamm entsteht dann eine Schwingung mit weit geringerer Frequenz. (Dies ist vergleichbar mit der Schwebung, die beim Stimmen von Klavieren hörbar ist, wenn man einen Ton mit einem benachbarten Stimmgabelton überlagert). Die Frequenz der Überlagerung kann nun mit herkömmlichen Methoden, bei der auch Atomuhren eine Rolle spielen, gemessen werden. Von ihr lässt sich dann auf die ursprüngliche Frequenz schließen.

Schema der Frequenzkammtechnik

Die Grundidee zur Frequenzkammtechnik hatte Hänsch bereits in den späten 1970er Jahren. Den Durchbruch gab es dann um 1999, als Hänsch bemerkte, dass man mit Hilfe der damals verfügbaren Laser und Atomuhren Präzisionsmessungen vornehmen könnte. Es musste aber noch das Problem gelöst werden, die genaue Lage des Frequenzkammes zu bestimmen. Dies gelang Hall und seinem Team im Jahr 2000. Seitdem haben die beiden Arbeitsgruppen – zum Teil gemeinsam – die Technik weiterentwickelt. Frequenzkammgeneratoren kommen heute in Laboren auf der ganzen Welt zum Einsatz und die Geräte werden bereits kommerziell vertrieben: Die Firma MenloSystem ist eine Ausgründung des Garchinger Max-Planck-Instituts und verkauft Frequenzkammgeneratoren, die sofort einsatzbereit sind. Preis: ab 160.000 Euro.

Da mit der Frequenzkammtechnik sehr große Frequenzen sehr genau gemessen werden können, lassen sich damit unter anderem hochpräzise Uhren entwickeln. Denn Zeit wird immer durch das Zählen von Schwingungen gemessen und je größer die verwendeten Frequenzen, umso genauer die Zeitmesser. So besteht im Prinzip jede Uhr aus zwei Komponenten: eine Komponente, die regelmäßig schwingt, und eine andere, welche diese Schwingungen zählt. Das ist bei einer Sonnenuhr der Fall (eine Schwingung pro Tag), bei einer Pendeluhr (eine Schwingung pro Sekunde = 1 Hz), bei Quarzuhren (rund 33.000 Hertz) und auch bei Cäsium-Atomuhren (rund 10 Milliarden Hz). Je schneller dabei die Schwingungen sind, umso genauer wird die Zeitmessung. Da Licht noch höhere Frequenzen hat als die Schwingungen, die bei Atomuhren zum Einsatz kommen, lässt sich eine noch höhere Genauigkeit erzielen.

Für hochpräzise Uhren gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So werden sie beispielsweise für die Verbesserung von satellitengestützten Navigationssystemen benötigt. Aber auch das Aufspüren von Erzlagerstätten kann mit Hilfe der Frequenzkammtechnik vereinfacht werden. Die Gravitation der Lagerstätten verursacht nach der Relativitätstheorie winzige Änderungen im Verlauf der Zeit, die sich mit der neuen Genauigkeit nachweisen lassen. Zudem lässt sich überprüfen, ob sich Naturkonstanten mit der Zeit ändern, und es kann der Frage nachgegangen werden, ob es nicht doch einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie gibt.

Es gibt also noch viel zu tun und auch die Ideenfabrik Hänsch wird nicht müde. Er hat schon neue Pläne: „Inzwischen träumen wir schon von Röntgenuhren.“

Die Preisträger

• Roy J. Glauber (* 1925)
  Harvard University Cambridge, MA, USA
  ½ des Preises „for his contribution to the quantum theory of optical coherence“
• John L. Hall (* 1934)
  University of Colorado, JILA; National Institute of Standards and Technology Boulder, CO, USA
  ¼ des Preises „for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique“
• Theodor W. Hänsch (* 1941)
  Max-Planck-Institut für Quantenoptik Garching, Germany; Ludwig-Maximilians-Universität, München,
  ¼ des Preises „for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique“