Ein Amerikaner, ein Franzose und eine Kanadierin werden für Entwicklungen in der Lasetechnik geehrt. Ihre Forschung hat der Menschheit die Laser-Augenchirurgie und viele weitere nützliche Anwendungen gebracht.
Stuttgart - Manche erinnern sich vielleicht an das Lichtschwert aus den Star-Wars-Filmen, mit dem die Jedi-Ritter gegen ihre Feinde kämpften. Das war zwar Science-Fiction, hatte aber einen wahren Kern: aus Licht lassen sich tatsächlich Werkzeuge bauen. Das machte sich der Amerikaner Arthur Ashkin zunutze. Er entwickelte eine Pinzette aus Laserlicht, mit der sich zum Beispiel Atome festhalten lassen, aber auch lebende Zellen oder Viren. Mit Lasertechnik haben sich auch der Franzose Gérard Mourou und die Kanadierin Donna Strickland beschäftigt. Zusammen erhalten die drei Forscher den diesjährigen Nobelpreis für Physik für „bahnbrechende Erfindungen auf dem Gebiet der Laserphysik“, so das Nobel-Komitee.
Der Laser hat Ashkin von Anfang an in seinen Bann gezogen. Gleich nachdem 1960 der erste Laser konstruiert worden war, begann er in den Bell Laboratories des US-Telekom-Konzerns AT&T damit zu experimentieren. Von Anfang an träumte er davon, mit Laserstrahlen Dinge zu bewegen. Dass Licht eine Kraft auf Objekte ausübt, hatte im 16. Jahrhundert bereits der Astronom Johannes Kepler postuliert. Allerdings ist diese Kraft sehr schwach. Laserlicht ist dagegen von viel größerer Intensität als normales Licht. Seine Strahlen sind stark gebündelt, während gewöhnliches Licht in alle Richtungen streut.
Atome in der Laserfalle
Nach einigen Jahren gelang es Ashkin tatsächlich, kleine Plastikkügelchen mit Laserlicht in Bewegung zu versetzen. Er feilte weiter an der Technik und schaffte es schließlich 1986, ein einzelnes Atom mit einem durch eine Linse stark gebündelten Laserstrahl festzuhalten. Als vielversprechendes Anwendungsgebiet für die Laser-Pinzette stellte sich bald auch die Biologie heraus. Mit Viren hatte Ashkin bereits experimentiert. Später kamen Bakterien dazu, für die er ein milderes Infrarot-Laserlicht einsetzte, in dem sie ohne Schäden weiterleben konnten.
In den letzten Jahrzehnten wurde die Methode weiter verfeinert, um biologische Prozesse in lebenden Zellen zu studieren. So lassen sich etwa Eiweißmoleküle oder einzelne Bausteine des Erbmoleküls DNA festhalten und untersuchen. Ein wichtiges praktisches Einsatzgebiet könnte künftig die Trennung zwischen gesunden und kranken Blutzellen durch den gleichzeitigen Einsatz Tausender Laserscheren sein, schreibt das Nobel-Komitee. Das könne zum Beispiel die Malaria-Bekämpfung verbessern.
Begrenzte Laserleistung
Der Laser ist nicht nur ein wichtiges Werkzeug für Grundlagenforscher, sondern begegnet uns fast überall im Alltag – vom Laserdrucker über den DVD-Player bis hin zur Laserchirurgie oder der Metallbearbeitung. Die Erfolgsstory des Lasers hängt wohl auch mit der Arbeit von Gérard Mourou und Donna Strickland zusammen, die sich eine Hälfte des diesjährigen Physiknobelpreises teilen. Mitte der 1980er-Jahre gab es zwar schon etliche Laser-Anwendungen, doch bei der Leistung schien eine Grenze erreicht. Noch stärkere Laserimpulse hätten die verfügbaren Materialien und Bauteile zerstört.
Für dieses Problem veröffentlichten Mourou und seine damalige Doktorandin Strickland 1985 eine elegante Lösung: Sie dehnten einen kurzen Laserpuls in der Zeit, wodurch sich dessen Energie verringerte. Dann wurde der Puls verstärkt und schließlich wieder komprimiert. Die Technik namens Chirped Pulse Amplification (CPA) – zu deutsch: Verstärkung der gechirpten Pulse – wurde bald zum Standard für Hochleistungslaser. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind etwa Laser-Augenoperationen.
Elektronen als Filmstars
CPA bereitete den Weg für immer kürzere und energiereichere Laserpulse, die beispielsweise nur noch wenige Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) oder noch kürzer dauern. Damit lassen sich etwa mit extremer Präzision Werkstoffe schneiden oder bohren – sogar lebendige Materialien. Als weitere Anwendungsbeispiele nennt das Nobel-Komitee die massenhafte Datenspeicherung, die Herstellung von Gefäßstützen und anderen medizinischen Hilfsmitteln. Schließlich können Forscher mit den ultrakurzen Laserpulsen auch extrem schnelle Vorgänge in der Natur beobachten – etwa die Bewegung von Molekülen oder die Fotosynthese. Sogar einzelne Elektronen können so zu Filmstars werden.
„Es gibt ungezählte Anwendungsmölichkeiten“, schwärmt das Nobel-Komitee. Der Preisträgerin Donna Strickland fallen bei der Telefonschalte aber zunächst gar nicht mehr so viele ein. Sie ist hörbar ergriffen. Als ein Journalist sie fragt, wie es sich denn anfühlt, wenn man als dritte Frau überhaupt den Physiknobelpreis bekommt, antwortet sie: „Was, ich dachte das seien schon mehr!“
Zwei Preisträger – und eine Preisträgerin
Arthur Ashkin wurde am 2. September 1922 in New York City geboren. Er ist mit 96 der älteste Nobelpreisträger aller Zeiten. Der emeritierte Professor arbeitete 40 Jahre lang in den Bell Laboratories und schreibt auch heute noch Fachartikel.
Gérard Mourou
wurde am 22. Juni 1944 im französischen Albertville geboren. Der emeritierte Professor arbeitete lange in den USA. Seine Kollegen beschreiben den 74-Jährigen als topfit. Als die Nachricht vom Nobelpreis kam, wollte er gerade schwimmen gehen.
Donna Strickland
wurde am 27. Mai 1959 in Guelph (Kanada) geboren. Die 59-jährige ist Professorin an der Universität in Waterloo in der Nähe ihrer Geburtstadt. Nach Marie Curie und Maria Goeppert-Mayer ist Strickland die dritte Frau, die den Physiknobelpreis erhält.