Fremde Raumschiffe festhalten und am Weiterflug hindern? Der Traktorstrahl macht es möglich. Wahlweise lässt sich damit auch einem Shuttle das Landen erleichtern oder ein manövrierunfähiges Schiff abschleppen. Zumindest in der Science-Fiction-Serie Star Trek ist der Strahl geradezu alltäglich. Wie praktisch wäre es, auch in der echten Welt gebündelte Lichtstrahlen zu haben, mit denen sich Gegenstände bewegen, untersuchen oder schneiden lassen. Und wenn schon nicht Raumschiffe, dann zumindest kleinere Objekte. Nun ja, die gibt es: Laser.

Bereits 1960 wurde der erste funktionierende Laser fertiggestellt. Seitdem ist die Leistung der Geräte rasant gestiegen. Mit jedem Entwicklungsschub kamen neue Anwendungsbereiche hinzu. Zwei Entwickler und eine Entwicklerin aber waren besonders gut darin, die Macht der Laser den Bedürfnissen der Menschheit zu unterwerfen. Dafür erhalten sie nun den Physiknobelpreis 2018.

Laser seien das beste Beispiel dafür, wie eine Erfindung nahezu aus dem Nichts die Welt grundlegend verändern kann, begründete die Nobeljury ihre Entscheidung. Anders als bei herkömmlichem weißen Licht, dessen Strahlen in allen Farben des Regenbogens streut, bewegen sich die Lichtwellen im Laser zusammenhängend, also kohärent. Die scharf gebündelten elektromagnetischen Wellen liefern daher große Kraft auf kleiner Fläche.

Ihre Präzision macht sie zum optimalen Werkzeug, um Entfernungen zu messen, Daten mit Hochgeschwindigkeit zu übertragen, Waffen zu lenken und sogar Augenoperationen durchzuführen. Dass all das heute möglich ist, liegt zu einem Gutteil an den diesjährigen Nobelpreisträgern, die die Technik revolutioniert haben. Einer von ihnen schuf – um im Bild zu bleiben – eine Traktorstrahl-Pinzette im Miniformat. Die anderen zwei lieferten die Grundlage für den intensivsten Laserpuls, den die Menschheit bisher geschaffen hat. Alle drei haben damit Science-Fiction Realität werden lassen.

Viren mit Licht greifen – Arthur Ashkin hat es ermöglicht

Eine Hälfte der höchsten wissenschaftlichen Auszeichnung geht an den US-Amerikaner Arthur Ashkin. Die Leistung des Experimentalphysikers: die Entwicklung einer optischen Pinzette, die es erlaubt, kleinste Objekte mithilfe von Licht zu betrachten, drehen, schneiden und ziehen. Erste Experimente dazu führte Ashkin im Jahr 1967 durch: Er zeigte, wie man Latexkugeln, die nur wenige Mikrometer im Durchmesser maßen, mit Lasern bewegen und einfangen konnte (Physical Review Letters: Ashkin, 1970).

Das war klein – aber für Ashkin nicht klein genug. Er wollte Objekte greifen, die bloß Pikometer, Billionstel eines Meters, im Durchmesser maßen: Atome. Statt neuer Rekorde folgte jedoch für lange Zeit bloß ein Rückschlag dem nächsten. Das Hauptproblem: Die Pinzetten mussten kräftiger zupacken können als bisher, um Atome zu fixieren. Auch war es hinderlich, dass Atome so schnell und wendig sind. Er musste sie dafür verlangsamen und auf engstem Raum sammeln. Erst zwei Jahrzehnte später gelang das Ashkin und seinem Team. Entscheidend dafür war, dass sein Kollege Steven Chu mit anderen Physikern die optische Kühlungstechnik erfand, mit der sich Atome stark abbremsen ließen (Physical Review Letters: Chu et al., 1986 & Science: Ashkin & Dziedzic, 1987).

Es war Ashkin, der erkannte, dass seine Pinzetten der biologischen Forschung nützlich sind. Wenige Jahre nachdem die Kühltechnik erfunden worden war, schaffte es Ashkin Viren, Bakterien und selbst lebende Zellen mit seinen Laser-Greifwerkzeugen zu fixieren (Proceedings of the National Academy of Sciences: Ashkin, 1997). In zahlreichen Laboren nutzen Forscherinnen und Wissenschaftler das Werkzeug heute, um biologische Prozesse zu studieren, um zu verstehen, wie sich Proteine, die DNA und Zellorganellen verhalten. Mit Ashkins optischen Pinzetten können sie die Studienobjekte greifen, ohne sie zu beschädigen. Weil er das möglich machte, bekam Ashkin dieses Jahr den Physik-Nobelpreis.

"Arthur Askin hat die Laserphysik fundamental geprägt", sagte der Physiker Jochen Küpper vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg. "Die optischen Pinzetten sind für die biologische und medizinische Grundlagenforschung eines der wichtigsten Werkzeuge. Zum Vergleich: Man kann einiges über eine Fliege lernen, wenn sie herumfliegt. Aber wenn man wissen will, wie die Fliege wirklich aussieht, dann schlägt man kurz vorsichtig mit der Fliegenklatsche drauf und hält sie fest. Und so kann man sich das mit den Pinzetten vorstellen."

Überraschend späte Ehre für Arthur Ashkin

Fraglich bleibt, warum die Nobeljury den US-Laserforscher erst in diesem Jahr ehrte. Streng genommen war die Auszeichnung längst überfällig: Steven Chu hat für die Atom-Kühltechnik aus den Achtzigerjahren bereits 1997 den Physiknobelpreis erhalten. Ashkin aber blieb trotz Beteiligung unerwähnt. Immerhin kann er nun einen weiteren Rekord für sich allein beanspruchen: Mit 96 Jahren ist er bislang der älteste Nobelpreisträger aller Zeiten. Raymond Davis junior, der bisherige Rekordhalter, war zur Zeit seiner Ehrung 88 Jahre alt.

Nobelpreis für den bisher stärksten Laser der Menschheit

Auf zu neuen Höhen: Nach 1960 wurden Laser binnen weniger Jahre immer intensiver – dann ging kaum noch was. Erst 1985 lieferte die CPA neuen Schub. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Die Geschichte der Lasertechnik ist eine Geschichte der Rekorde. Nachdem es erstmals gelungen war, Laser zu erzeugen, wurde deren Intensität rasch größer. Man begann bei einer Leistung von 10^10 Watt pro Quadratzentimeter und steigerte sich binnen weniger Jahre.

Aber dann ging es ohne Materialschäden an den Verstärkern plötzlich nicht mehr aufwärts (siehe Grafik oben). Mitte der Achtzigerjahre schließlich waren es Donna Strickland und Gérard Mourou, die diesen Stillstand beendeten. Sie entwickelten ein einfaches, elegantes Verfahren, um Laserpulse maßgeblich zu verstärken. Die Idee: Je kürzer ein Laserpuls in Zeit und Länge, desto mehr Licht und damit Energie erreicht denselben kleinen Raum – die Intensität des Pulses steigt. Also streckte das Duo Laserpulse zunächst über die Zeit, was die Spitzenleistung verringerte. Die gestreckten, weniger starken Pulse wurden dann verstärkt. Und erst danach wieder komprimiert (siehe Grafik unten).

Wie Ashkin hatten auch Strickland und Mourou damit zu kämpfen, ihre Idee in die Tat umzusetzen. Ein Beispiel, das die Royal Swedish Academy of Sciences liefert: Der Puls sollte mithilfe eines Glasfaserkabels auf 2.5 Kilometer gestreckt werden. Doch am Ende kam kein Licht heraus – das Kabel war irgendwo gebrochen. Letztlich mussten 1,4 Kilometer reichen. Es funktionierte.

(1) Kurzer Lichtpuls von einem Laser (2) Puls wird mithilfe von Beugungsgittern zeitlich gedehnt (3) Langer Puls wird sicher verstärkt (4) Verstärkter Puls wird wieder komprimiert – der resultierende Puls ist kurz mit hoher Leistung © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Mit ihrer Arbeit ebneten die Physiker den Weg für den kürzesten, intensivsten Laserpuls, der bislang je von Menschenhand geschaffen wurde; Intensitäten von bis zu 10^22 Watt pro Quadratzentimeter bei einer Pulslänge von einigen Femtosekunden waren möglich. Der für den Nobelpreis entscheidende Artikel ist bereits im Jahr 1985 erschienen und war die Grundlage für Stricklands Doktorarbeit (Optics communications: Strickland & Mourou).

Diese Verstärkung gechirpter (auf Deutsch am ehesten: gezwitscherter) Pulse, Chirped Pulse Amplification (CPA) genannt, wird inzwischen nicht nur in der Forschung eingesetzt. Sie sei in unserem Alltag inzwischen nicht mehr wegzudenken, sagt Physiker Küpper. Besonders sichtbar ist das in der Medizin. Dort wird die Technik verwendet, um Metallstents, die Blutgefäße wie die Herzkranzgefäße weiten und offenhalten sollen, zuzuschneiden. Laser machen das besonders passgenau und ohne das Material zu schädigen. Oder beim Lasik-Verfahren, mit dem eine Kurzsichtigkeit des Auges korrigiert werden kann. In Zukunft könnte Lasertechnik zudem in der Krebsbehandlung oder im OP Anwendung finden, erklärt Küpper: "Inzwischen ist auch minimalinvasive Laserchirurgie in der Entwicklung: Damit könnte man bei Operationen mit viel weniger Verwundungen als bisher auskommen, sozusagen ein Laserskalpell."

Die kurzen Pulse des von Strickland und Mourou ermöglichten Femtosekundenlasers (rechts) richten weniger Schaden im Material an als die Millionen Mal längeren Pulse eines Nanosekundenlasers (links). Ulrakurze, intensive Laser sind geeignet für Augenkorrekturen, Datenspeicherung oder um medizinische Stents zu schneiden. © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Die Rekordjagd nach den leistungsstärksten Lichtblitzen dauert an

Strickland ist nach Marie Curie und Maria Goeppert Mayer die dritte Frau, die mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Inzwischen forscht sie an der kanadischen Waterloo-Universität.

Auch der Franzose Mourou war die letzten Jahre nicht untätig. Er hat die Extreme Light Infrastructure (ELI) vorangetrieben, ein europäisches Laserforschungsprojekt in Tschechien, Ungarn und Rumänien, das die Lasertechnik ein weiteres Mal in ganz neue Sphären heben soll: Trotz aller Verbesserungen der CPA-Technologie ist die Pulsspitzenleistung seit dem Jahr 2000 nicht über den Wert von einem Petawatt (10^15) gestiegen. Genau das soll ELI mit einer angestrebten Spitzenleistung von 10 Petawatt während eines 150 Femtosekunden dauernden Laserblitzes ändern.

Laut der Royal Swedish Academy of Sciences entspricht das einem unglaublich kurzen Lichtblitz, so hell wie das Licht von einhunderttausend Milliarden Glühbirnen. Manche träumen gar von mehr: In den USA beispielsweise ist die Entwicklung eines Exawatt-Lasers (10^18 Watt) geplant. Ob das gelingt, ist noch zu beweisen. Fest steht jedoch, weder das Repertoire der Lasertechnik ist ausgeschöpft, noch ist die Rekordjagd nach den leistungsstärksten Lichtblitzen beendet.

Mitarbeit: Henrik Oerding

Die gesamte Berichterstattung zu den diesjährigen Nobelpreisen und der Forschung dahinter finden Sie hier.