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Gegenstände mit Licht bewegen

Von Eva Stanzl

Wissen

Optische Pinzette und Laser-Kamera: Nobelpreis für Physik 2018 für Entwicklungen in der Laser-Technologie.


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Stockholm/Wien. Der Nobelpreis für Physik geht heuer zur einen Hälfte an den US-Forscher Arthur Ashkin und zur anderen Hälfte an die kanadische Forscherin Donna Strickland und den französischen Wissenschafter Gerard Mourou für bahnbrechende Entwicklungen in der Laser-Physik. Das gab die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften am Dienstag in Stockholm bekannt.

Albert Einstein beschrieb erstmals 1917 das Grundprinzip der Laser-Technologie als stimulierte Emission von elektromagnetischen Wellen durch eine Umkehr der Absorption. Der erste Laser wurde von Theodore Maiman 1960 fertiggestellt. "In den vergangenen sechs Jahrzehnten sind diese Strahlen unverzichtbar geworden, sei es in präzisen Schneide- und Bohrinstrumenten, in Mikromechanik und Chirurgie, in Druckern und Barcode-Scannern. Der Laser ist ein Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung das Leben verändern kann. Die geehrten Erfindungen sind eine Revolution in der Laser-Physik", erklärte die Komiteemitglied Olga Botner, Physikerin an der Universität Uppsala die Entscheidung.

Traktorstrahl für Proteine

Der US-Experimentalphysiker Arthur Ashkin, geboren 1922 in New York, ist mit 96 Jahren der älteste mit dem Nobelpreis geehrte Forscher. Er gilt als Vater des Prinzips, Atomfallen mit Lasern zu bauen. Den Preis erhält er für seine Entwicklung einer "optischen Pinzette" und ihre Anwendung in biologischen Systemen. Ashkins Traum: Stell dir vor, man könnte Gegenstände mit der Kraft des Lichts bewegen.

In der Kult-Serie "Raumschiff Enterprise" lassen sich mit einem Traktorstrahl berührungslos Objekte, ja sogar Asteroiden verschieben. Ashkin machte aus Science Fiction Wirklichkeit - zumindest im Kleinen. Denn schon die Wärme von Sonnenstrahlen lässt ihre Energie spüren. Ihr Druck ist jedoch zu gering, um als solcher wahrgenommen zu werden. Ashkin fragte sich, ob man die Lichtenergie so bündeln könnte, dass sie Partikel bewegt. Ab den 1960er Jahren experimentiere er mit der Laser-Technologie. Anders als Sonnenlicht, das überallhin streut, bewegen sich Laser-Lichtwellen nämlich geordnet.

Licht gegen Kurzsichtigkeit

"Man fokussiert den Laser auf einen Punkt. Da Partikel, Atome, Viren oder Zellen an diesem Punkt einen anderen Licht-Brechungsindex haben als die Umgebung, rücken sie in den Fokus des Lasers", erklärt Markus Valtiner von der Technischen Universität Wien das Prinzip. Sie werden zur Mitte gezogen, wo der Lichtstrahl am intensivsten ist. "Es entsteht eine Lichtfalle, mit der sich Biomoleküle ausmessen oder auseinanderziehen", sagt Valtiner.

Als "extrem nützliches Instrument" für das Verständnis biologischer Vorgänge in Zellen bezeichnet der wissenschaftliche Direktor des Instituts für Molekulare Pathologie in Wien, Jan-Michael Peters, die Methode der optischen Pinzetten. Zentral seien dabei die Eigenschaften von Proteinen und der Erbsubstanz DNA, "und die kann man mit diesen optischen Pinzetten hervorragend untersuchen", betont Peters. So könne man etwa an einzelnen Eiweißmolekülen Veränderungen in Echtzeit messen.

Auch der zweite Teil des Physik-Nobelpreises begann mit einer kühnen Vision. Heute kommt sie als Laser-Kamera in Operationen gegen Kurzsichtigkeit zum Einsatz. Laut Nobel-Komitee eröffneten die beiden Preisträger ein neues Fenster in der Physik. Gerard Mourou, geboren 1944 im französischen Albertville, ist Physiker am Centre national de la recherche scientifique in Palaiseau und ausländisches Mitglied der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Donna Strickland, geboren 1959 in Guelph, Kanada, ist Laserphysikerin an der University of Rochester in den USA. Die beiden hätten den Weg zu den kürzesten, intensivsten Laserpulsen geebnet, so die Jury.

Bei der Methode namens "Chirped Pulse Amplification" wird ein Lichtpuls gestreckt, um die Energiedichte zu verringern, anschließend verstärkt und schließlich komprimiert. Die Abfolge führt zu einem dramatischen Anstieg der Intensität des Lichtpulses. Zu den Anwendungen zählen hochintensive Laser, unter anderem in chirurgischen Augenoperationen.

Dritte Nobel-Physikerin

Strickland ist erst die dritte Frau, die den Physik-Nobelpreis erhält. Vor ihr wurde diese Ehre der Französin Marie Curie (1903, Radioaktivität) und der Deutschen Maria Goeppert-Mayer (1963, nukleare Schalenstruktur) zuteil. Auch sie hatten sich den Preis mit je zwei Männern geteilt. "Ich fühle mich geehrt, eine dieser Frauen zu sein", sagte Strickland am Dienstag. Nach dem Anruf am Morgen sei ihr erster Gedanke gewesen: "Das ist verrückt." Sie habe sich gefragt, ob es überhaupt wahr sei.

Angesprochen auf den Frauen-Anteil unter den Preisträgern sagte der Generalsekretär der Schwedischen Akademie, Göran Hansson, er gehe davon aus, dass "es künftig viele mehr geben wird". Die Preisträger heute würden die Geschlechterverteilung in den Wissenschaften vor 20 bis 30 Jahren reflektieren. Übergeben wird der Preis am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel. Im Vorjahr ging die Auszeichnung an Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne für den Nachweis der von Einstein beschriebenen Gravitationswellen.