Physik-Nobelpreis: Lichtimpulse zeigen das Leben von Elektronen in Echtzeit

Ferenc Krausz, ein in Deutschland wirkender Forscher, erhält den diesjährigen Physik-Nobelpreis, wie das Nobelkomitee der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften am Dienstag in Stockholm mitgeteilt hat. Er teilt ihn sich mit Anne L’Huillier aus Schweden und Pierre Agostini aus den USA.

Das Thema ist – wie meist in der Physik – alles andere als einfach. Die Beiträge der Preisträger machten die Untersuchung von Prozessen möglich, die so schnell ablaufen, dass sie zuvor nicht verfolgt werden konnten, erklärten die Nobel-Juroren. Dies passiere über „extrem kurze Lichtimpulse“, die Prozesse messen,  „in denen sich Elektronen bewegen oder ihre Energie ändern“.

In der Welt der Elektronen fänden Veränderungen in wenigen Zehntel Attosekunden statt. Eine Attosekunde entspricht dem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Das sei „so kurz, dass es in einer Sekunde so viele Veränderungen gibt, wie es Sekunden seit der Geburt des Universums gegeben hat“.

Immer kürzere Impulse durch Hochleistungslasersysteme

Ferenc Krausz wurde 1962 in der ungarischen Stadt Mór geboren. Er studierte in Budapest Theoretische Physik und Elektrotechnik. Später wurde er Professor an der TU Wien. Seit 2003 ist er am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei München. Dort leitet er die Abteilung für Attosekundenphysik. Die mit ihm ausgezeichnete Anne L’Huillier leitet eine ähnliche Forschungsgruppe im schwedischen Lund. Pierre Agostini ist als emeritierter Professor an der Ohio State University in den USA tätig. Ihm gelang es 2001, ultrakurze Lichtimpulse zu erzeugen, die jeweils nur 250 Attosekunden dauerten.

Ähnliches schaffte zur gleichen Zeit Ferenc Krausz mit einem anderen Experimenttyp. Krausz ist zugleich Professor für Experimentalphysik an der Universität München. Erst im Juli 2023 teilten beide Institutionen mit, dass sie ein „neues und einzigartiges Hochleistungslasersystem“ für die Attosekunden-Experimente entwickelt hätten. Die Impulse werden also immer kürzer.

Methode kann zur Früherkennung von Krebs genutzt werden

Ferenc Krausz verglich es vor einiger Zeit mit der Fotografie: „Wenn man die Bewegung von etwas sehr Schnellem aufnehmen will – beispielsweise eine Kugel, die aus einer Pistole geschossen kommt –, macht man eine Reihe von Schnappschüssen und rekonstruiert dann, wie das Geschoss tatsächlich auf die Wand trifft“, erklärte er. Ähnlich verhalte es sich in der Attosekundenphysik. Die Lichtpulse des Lasers entsprächen dem Auslöser einer Kamera, der sich schließt und wieder öffnet. 

„Wir können jetzt die Tür zur Welt der Elektronen öffnen“, sagte Eva Olsson vom Nobelkomitee für Physik. „Die Attosekundenphysik bietet uns die Möglichkeit, Mechanismen zu verstehen, die von Elektronen gesteuert werden. Der nächste Schritt wird darin bestehen, sie zu nutzen.“ Mögliche Anwendungsfelder sind die medizinische Diagnostik, die Informationsverarbeitung, die Chemie oder die Halbleiterindustrie.

„Wie können wir elektrische Ströme in immer kleineren und schnelleren Schaltkreisen kontrollieren, um leistungsfähigere Computer und Telekommunikationssysteme zu entwickeln?“, fragt Ferenc Krausz selbst. „Wie wird die Struktur von Molekülen durch die Anregung ihrer Elektronen beeinflusst? Kann sie durch die Steuerung der Elektronen, die für die chemische Bindung verantwortlich sind, verändert werden?“

Eine weitere Frage sei, wie neue Erkenntnisse über Elektronenbewegungen in biologischen Systemen dabei helfen könnten, die Entstehung von Krankheiten wie Krebs besser zu verstehen und damit früher zu erkennen, zum Beispiel in Blutproben. „Dies sind einige der großen Fragen des 21. Jahrhunderts“, erklärt Krausz. „Wir werden darauf nur eine Antwort finden, wenn wir die mikroskopische Bewegung von Elektronen verstehen und steuern können.“