Physik-Nobelpreis 2018 Die Laser-Dompteure

Die Gewinner des Physik-Nobelpreises 2018 haben Laserstrahlen zu einem fundamentalen Werkzeug für Forscher und Ärzte gemacht. Eine wichtige Anwendung sind Augen-OPs.

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Das Nobel-Komitee in Stockholm hat den Ruf, mitunter etwas praxisfern zu entscheiden - und gern Themen aus der Physik auszuwählen, mit denen Laien kaum etwas anfangen können.

Etwa beim Physik-Nobelpreis 2016 für "für theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Materiephasen". Oder 2015, als es um Neutrino-Oszillationen ging.

Beim diesjährigen Physik-Nobelpreis ist das anders: Die Ehrung geht an Arthur Ashkin (USA), Gérard Mourou (Frankreich) und Donna Strickland (Kanada) für die Entwicklungen äußerst hilfreicher Laserwerkzeuge, von denen bereits Millionen Menschen persönlich profitiert haben.

Laser für die Augen

Ashkin gelang es, Atome, Moleküle und sogar lebende Zellen mit einem Laserstrahl einzufangen, um sie genauer untersuchen zu können. Physiker nennen Ashkins Konzept daher Laserpinzette.

Strickland und Mourou entwickelten die Methode zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse weiter, mit der man sich heutzutage nahezu gefahrlos die Augen lasern lassen kann. Eine Hälfte des Preisgeldes von insgesamt ungefähr 870.000 Euro, geht an Ashkin, die andere Hälfte teilen sich Strickland und Mourou.

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Physik: Nobelpreis für Laser-Werkzeuge

Beide Entwicklungen stellen vor allem neue Methoden dar, die die Forscher auf ganz unterschiedlichen Gebieten weit vorangebracht haben. Arthur Ashkin ahnte schon bald nach der Entwicklung von Laserstrahlen in den Sechzigerjahren, dass sich damit extrem kleine Objekte einfangen lassen sollten.

Das Prinzip kennt man vom Fön, in dessen senkrecht nach oben verlaufenden Luftstrahl ein Tischtennisball scheinbar gefangen ist. Selbst wenn man den Fön etwas zur Seite kippt, fällt der Ball nicht herunter. Die ihn umströmende Luft hält ihn vielmehr im Strahl fest.

Ganz ähnlich funktioniert Ashkins Laserpinzette. Ein Laserstrahl wird dabei auf einen Punkt fokussiert. "Kleine Partikel haben die Tendenz, in diesen Punkt hineinzugehen", sagt Oliver Benson von der Humboldt-Universität Berlin. Sie würden quasi hineingezogen. "Man kann den Punkt bewegen - und man kann damit Dinge manipulieren."

Kraftmesser für Proteine

Ashkin gelang es zunächst, kleine Kügelchen mit seiner sogenannten Laserpinzette zu fixieren - später jedoch auch Moleküle und Atome. Ein großer Durchbruch folgte 1987, als Ashkin lebende Bakterien einfing, ohne sie zu beschädigen. Er begann dann, immer mehr biologische Systeme, etwa Zellen, zu untersuchen.

Mit der Laserpinzette lassen sich sogar extrem kleine Kräfte innerhalb von Zellen vermessen. Forscher ketten dazu eine kleine Kugel an ein Protein, dass sich normalerweise durch die Zelle bewegt. Dank der fein justierbaren Laserpinzette können sie einstellen, mit welcher Kraft die Kugel festgehalten wird und so messen, wie stark das beobachtete Protein an der Kugel zieht.

Mehr Power für immer kürzere Momente

Die ebenfalls mit dem Nobelpreis 2018 ausgezeichneten Laserpulse gehen auf eine Doktorarbeit von Donna Strickland zurück. Stickland veröffentlichte den Fachartikel darüber 1985 gemeinsam mit ihrem Doktorvater Gérard Mourou.

In den Achtzigerjahren gab es kaum noch Fortschritte bei Laserpulsen. Physiker konnten die Energie nicht weiter erhöhen, ohne dass die Verstärkertechnik dabei Schaden nahm.

Doch Strickland und Mourou hatten eine Idee: Sie streckten die Laserpulse über die Zeit, machten sie also länger und weniger intensiv. Diese gestreckten Pulse verstärkten sie dann, um sie anschließend wieder zu komprimieren. Chirped pulse amplification, kurz CPA, heißt die Methode.

Ultrakurze, sehr energiereiche Laserpulse sind sehr hilfreich, um Material verschiedenster Art schonend zu bearbeiten. Weil der Puls nur wenige Sekundenbruchteile lang ist, erwärmt sich umgebendes Material kaum. Zudem lässt sich der Laser punktgenau fokussieren - und nur an diesem Punkt zeigt er Wirkung.

Dank dieser Eigenschaften können Augenärzte beispielsweise Kurzsichtigkeit am Auge korrigieren oder auch Einschlüsse in der Linse eliminieren, ohne in diese hineinschneiden zu müssen.

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen möglich

Die ultrakurzen Pulse haben viele weitere Anwendungen - etwa die Herstellung von Stents, die sehr klein sind und zur Stabilisierung von Blutgefäßen dienen. "Dank der hohen Intensität genügt im Extremfall ein einziger Puls, um Material wie gewünscht zu bearbeiten", sagt der Berliner Physiker Oliver Benson, der selbst als Laserforscher arbeitet.

Doch die ultrakurzen Laserpulse sind nicht nur ein schonendes Werkzeug zur Bearbeitung von Material, sie ermöglichen auch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen in der Mikrowelt. Dort laufen viele Prozesse so schnell ab, dass Forscher lange Zeit keine Chance hatten, sie zu beobachten. Doch dank Laserpulsen, die nur eine Femtosekunde lang sind, ist es möglich, solchen Ereignisse quasi zuzusehen.

Die Kanadierin Donna Strickland ist übrigens erst die dritte Frau, die einen Physik-Nobelpreis bekommt. Die beiden Preisträgerinnen vor ihr waren Marie Curie (1903) und Maria Goeppert-Mayer (1963). Strickland sagte nach der Bekanntgabe der Auszeichnung, sie sei geehrt, eine der wenigen Frauen zu sein, die den Physik-Nobelpreis bekommen hätten. "Offensichtlich müssen wir öfters Physikerinnen feiern, denn es gibt uns da draußen." Sie hoffe, dass dies in Zukunft immer öfter geschehe.

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