Nobelpreis für Physik 2018

Der Nobelpreis für Physik wird dieses Jahr zur Hälfte an Arthur Ashkin „für die Entwicklung optischer Pinzetten und deren Anwendung in der Biologie“ verliehen, zur anderen Hälfte gemeinsam an Gérard Mourou und Donna Strickland „für die Entwicklung einer Methode, mit der sich hochenergetische, ultrakurze optische Pulse erzeugen lassen“. Mit ihren Arbeiten haben die in diesem Jahr ausgezeichneten Wissenschaftler die Laserphysik revolutioniert, so das Nobelpreiskomitee.

Arthur Ashkin, Gérard Mourou und Donna Strickland

Dass Licht eine Kraft auf Materie ausüben kann, spekulierte schon Johannes Kepler vor rund 400 Jahren. Erst in den frühen 1900er-Jahren ließ sich dieser sogenannte Strahlungsdruck auch experimentell nachweisen. Mit Lasern, die in den 1960er-Jahren aufkamen, untersuchten Physiker dieses Phänomen schließlich genauer – unter ihnen auch Arthur Ashkin, geboren 1922 in New York.

1970 zeigte der Physiker von den Bell Laboratories in den USA, dass sich kleine dielektrische Partikel in Luft oder Wasser mithilfe von Laserstrahlen antreiben lassen. Mit einem speziell geformten Laserstrahl war es zudem möglich, die Partikel in das Zentrum des Strahls zu drücken. Mit zwei gegenläufigen Laserstrahlen gelang es Ashkin schließlich, die Partikel dort auch festzuhalten. 1986 stellten der Wissenschaftler und seine Kollegen dann erstmals eine solche „optische Falle“ vor, die mit einem einzigen Laserstrahl auskam. Die optische Pinzette war erfunden.

Experimente mit Laserpinzetten

Mit der von Ashkin entwickelten Technik ließen sich dielektrische Partikel einfangen, deren Größe von einigen Dutzend Nanometern bis hin zu einigen Dutzend Mikrometern reicht. Physiker setzen das Verfahren beispielsweise ein, um Atome einzufangen und zu kontrollieren. Ashkin hielt mit optischen Pinzetten dagegen Viren und lebende Zellen fest, ohne sie zu beschädigen. Dazu hatte er den intensiven grünen Laserstrahl gegen energieärmeres infrarotes Laserlicht ausgetauscht. In seinen Experimenten untersuchte der Forscher unter anderem das Innenleben von Amöbenzellen. „Denn optische Pinzetten ermöglichen Kraftmessungen im Bereich von Pikonewton. Damit ist man in der Größenordnung der Kräfte in einer lebenden Zelle“, so Cornelia Denz von der Universität Münster.

Optische Pinzetten sind heute ein weit verbreitetes Werkzeug in der Biophysik und angrenzenden Bereichen – und es kommen immer wieder neue Anwendungen hinzu, die letztlich auf den Ideen von Ashkin beruhen. „Die optischen Pinzetten sind als Prinzip sehr wichtig. Ich habe mir schon gedacht, dass es irgendwann einen Nobelpreis dafür geben muss“, sagt Denz. Auch die anderen beiden Preisträger haben mit ihren Ideen sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft viele neue Möglichkeiten eröffnet: Gérard Mourou von der École Polytechnique in Frankreich sowie der University of Michigan in den USA und Donna Strickland von der University of Waterloo in Kanada ebneten den Weg zu extrem kurzen und intensiven Laserpulsen.

Denn die beiden Eigenschaften – ultrakurz und extrem intensiv – wollten sich nicht so recht in einem Laserpuls vereinen lassen: Überstieg die Intensität eine gewisse Grenze, litt das Lasermedium, das für die Lichtverstärkung sorgt. „Man brauchte also eine Technik, um den Laser nicht selbst zu zerstören“, so Reinhard Kienberger von der TU München. Einen entscheidenden Durchbruch brachte 1985 ein von Mourou – geboren 1944 in Albertville, Frankreich – und Strickland – geboren 1959 in Guelph, Kanada – entwickeltes Verfahren namens Chirped Pulse Amplification.

Chirped Pulse Amplification

„Mithilfe von Spiegeln oder Prismen dehnt man den Laserpuls in die Länge, gibt mehr Energie hinein und staucht ihn anschließend wieder“, erläutert Kienberger das Prinzip. Dank dieses Ansatzes ließ sich die Intensität von Laserpulsen sprunghaft steigern. Inzwischen kommt diese Technik in vielen Hochleistungslasern zum Einsatz. „Auch in meinem Labor haben wir mehrere solcher Laser. Die gehören inzwischen zum Standard und es gibt weltweit Tausende davon“, so Kienberger. Doch nicht nur in der Physik, auch in der Medizin werden diese Laser genutzt – beispielsweise bei Augenoperationen. Ein großer Vorteil ist die geringe Größe der Systeme. „Der Aufbau passt auf einen Schreibtisch“, veranschaulicht Kienberger.

In verschiedenen Projekten rund um den Globus entwickeln Physiker das Konzept weiter, um noch höhere Laserleistungen zu erzeugen. An der Extreme Light Infrastructure sollen beispielsweise bis zu zehn Petawatt erreicht werden. „Ich muss ehrlich sagen, ich bin ein bisschen überrascht über diesen Nobelpreis. Es handelt sich dabei um eine sehr technische Entwicklung, die nicht direkt in ihrer Physik bestechend ist“, sagt Kienberger. „Aber diese Erfindung spielt in der Physik dennoch eine wahnsinnig wichtige Rolle: Da mit den vielen Hochleistungslasern gute und wichtige Forschung betrieben wird, hat sie die Physik sehr stark weitergebracht.“