Laser sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Das fängt beim Kassenscanner an, geht über optische Datenübertragung und endet bei der Suche nach Gravitationswellen. Okay, zugegeben, das letzte Beispiel hat nicht mehr viel mit dem Alltag zu tun, aber Fakt ist: Die Bedeutung von Lasern kann kaum überschätzt werden. Dies erkennt auch das Nobel-Komitee bei der Vergabe des diesjährigen Physik-Nobelpreises an. Der Preis geht je zur Hälfte an den Erfinder der optischen Pinzette und an Forscher, die eine Methode zur Generierung ultraschneller und dennoch intensiver Laserimpulse entwickelt haben.


Blick durch Wand
Foto: Andrew Adams, Flickr, CC BY-SA 2.0

Optische Pinzette: Der Traktorstrahl im Kleinstformat

Der erste Laser wurde 1960 von Theodore Maiman fertiggestellt. Kurz danach, genauer Mitte der 1960er-Jahre, begann der US-Physiker Arthur Ashkin im Rahmen seiner Anstellung bei den Bell Laboratories mit der neuen Art des Lichts zu experimentieren. Seine These war, dass sich mit Hilfe eines Laserstrahls kleine Objekte bewegen und manipulieren lassen. Die Inspiration dazu stammte teilweise aus der damals brandneuen SciFi-Serie Star Trek. Bereits damals war der Strahlungsdruck des Lichts bekannt: Wenn Photonen auf eine Fläche oder ein Objekt treffen, üben sie eine Kraft aus. Dieser Strahlungsdruck ist etwa der Grund dafür, dass der Schweif eines Kometen immer zur sonnenabgewandten Seite gedrückt wird. Ashkin zeigte diese Kraft, indem er winzige transparente Kugeln in den Laserstrahl gab und diese sich in Lichtrichtung bewegten.

Was er aber nicht erwartet hatte, war, dass die Kugeln in seinem Experiment stets zentral in den Laserstrahl drifteten, auch wenn sie im Außenbereich des Strahls eingebracht wurden. Ashkin stellte fest, dass die Intensität des Lichtstrahls immer in der Mitte am höchsten, was einen Drift ins Zentrum des Strahls auslöst. Diese Erkenntnis diente als Ansatzpunkt für Ashkins weitere Arbeit. Er und sein Team fokussierten den Laserstrahl mit einer Mikroskoplinse und konstruierten so eine Art Objektfalle für kleinste Objekte, die in der Mitte des Strahls festgehalten werden und bewegt werden können. Auf diese Weise erfand Ashkin die optische Pinzette, mit der er Mitte der 80er erstmals einzelne Atome festhalten und gezielt bewegen konnte. Später gelang es ihm, auch Viren, Bakterien und andere Zellen in seiner Laserpinzette festzuhalten.


Die optische Pinzette ist heute ein elementares Werkzeug in der Forschung. Wissenschaftler manipulieren mit ihr etwa Zellen oder konstruieren Nanogebilde aus einzelnen Atomen. Für seine Erfindung wurde Arthur Ashkin dieses Jahr mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Mit 96 Jahren ist er der älteste Nobelpreisträger in der Geschichte des Preises.

Ultrakurze Laserimpulse in der Forschung und Medizin

Die zweite Hälfte des Preises geht an den Franzosen Gérard Mourou und die Kanadierin Donna Strickland, die den Weg für die kürzesten und intensivsten Laserimpulse ebneten, die bisher erzeugt werden konnten. Dreh- und Angelpunkt ihrer Forschung ist eine Studie, die 1985 veröffentlicht wurde und die Grundlage von Stricklands Doktorarbeit war. Die beiden Forscher entwickelten die „chirped pulse amplification“, oder abgekürzt CPA, die heute eine Standardmethode in der Lasertechnik ist und unter anderem als Laserskalpell in der Chirurgie zum Einsatz kommt. Aber auch in derForschung sind sogenannte Femto- und Attosekundenpulse nicht mehr wegzudenken. Mit ihnen werden Molekülstrukturen entschlüsselt und Grundlagenarbeit im Bereich der Materieforschung geleistet.

Vor der Entwicklung der CPA-Methode stand die Wissenschaft vor dem Problem, dass Laserimpulse immer an Intensität verloren, wenn sie in kürzere Impulse aufgeteilt werden. Dies lies sich nur mit großen und aufwändigen Anlagen umgehen, die stundenlang kühlen mussten.

via nobelprize.org

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