Werkzeuge aus Licht

Mit Laserstrahlen lassen sich raffinierte Instrumente herstellen: zum Beispiel eine optische Pinzette oder ein Skalpell. Dafür gab es am Dienstag den Nobelpreis für Physik. 

Die Operation von Augen mit Laser gehört heute zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen. Foto: BSIP/UIG, Getty Images

Die Operation von Augen mit Laser gehört heute zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen. Foto: BSIP/UIG, Getty Images

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Wenn Physiker über Laserlicht sprechen, geraten sie ins Schwärmen. Es sei «das schönste Licht, das es gibt», hat die Laser-Forscherin Ursula Keller von der ETH Zürich einmal gesagt. Laserlicht sei «so klar und rein wie ein schöner Ton». Und so wie sich mit reinen Tönen tolle Musik komponieren lässt, können Physiker auf der Klaviatur des reinen Laserlichts spielen und damit faszinierende Werkzeuge aus Licht kreieren.

Die dieses Jahr mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichneten Wissenschaftler haben in diesem Sinne geniale Laser-Partituren komponiert. Arthur Ashkin von den Bell Laboratories in Holmdel, USA, ist mit 96 Jahren der älteste Wissenschaftler, der je den Nobelpreis erhielt. Er hat aus Laserlicht eine optische Pinzette gebaut, mit der sich winzige Partikel – Atome, Viren oder lebende Zellen – äusserst sanft anpacken und untersuchen lassen.

Der Franzose Gérard Mourou von der École Polytechnique bei Paris und die Kanadierin Donna Strickland von der University of Waterloo legten die Grundlage für die Entwicklung enorm kurzer und intensiver Lichtpulse, vergleichbar mit einem lauten Staccato in der Musik. Die Methode hat zu zahlreichen Anwendungen geführt. Zum Beispiel lassen sich mit den Laserpulsen heute hauchdünne Gläser für Handybildschirme schneiden und Augenlinsen korrigieren.

Wie ein Ball im Luftstrom

Viola Vogel, Professorin für angewandte Mechanobiologie an der ETH Zürich, ist von der Wahl der diesjährigen Nobelpreisträger «total begeistert». Dass man Licht wie ein Pinzette nutzen könne, um winzige Objekte festzuhalten, ohne diese zu zerstören, habe der Biologie enorme Fortschritte gebracht. «Erstmals war es möglich, dank der optischen Pinzette Objekte wie Viren oder Bakterien, die sich sonst bewegen, in Ruhe zu untersuchen.» Sehr erfreut sei sie auch, dass mit Donna Strickland eine Frau geehrt wurde – es ist der dritte Nobelpreis überhaupt, der an eine Frau vergeben wurde.

Wie die Laserpinzette von Ashkin im Prinzip funktioniert, lässt sich mit einfachen «Haushaltsgegenständen» nachvollziehen: Richtet man einen Fön senkrecht nach oben und legt einen Tischtennisball zentral in den Luftstrom, bleibt der Ball in der Schwebe. Er wird sogar dann im Luftstrom gehalten, wenn man den Fön leicht hin und her bewegt. Denn es gibt Kräfte, die den Tischtennisball ins Zentrum des Luftstroms verschieben.

Als in den 60er-Jahren die ersten Laser aufkamen, hat Ashkin etwas Entsprechendes gemacht: Er hat winzige, nur etwa ein Tausendstel Millimeter grosse Glaskügelchen in einen Laserstrahl gesetzt. Wie der Tennisball vom Fön werden die Glaskügelchen vom Laserlicht weggedrückt. Denn Licht kann man als Partikelstrom verstehen, bestehend aus den sogenannten Photonen. Wie Luftmoleküle auf den Ball üben Photonen Druck auf Objekte aus, auf die sie treffen. Der Strahlungsdruck des Lichts entsprach genau den theoretischen Abschätzungen, die Ashkin angestellt hatte.

Ähnlich wie der Tischtennisball im Luftstrom werden die Glaskügelchen zum Zentrum des Laserstrahls gedrückt. Beim Glaskügelchen bezeichnen Physiker diese Kraft als Gradien­tenkraft, die aufgrund der Wechselwirkung des Kügelchens mit dem inhomogenen elektromagnetischen Feld eines Lichtstrahls entsteht.

Um die Teilchen vollends zur Ruhe zu bringen, hat Ashkin den Laserstrahl mithilfe einer Linse fokussiert. Im Fokuspunkt ist die Intensität des Lasers am höchsten. Dorthin werden die Glaskügelchen von einer weiteren, in Längsrichtung des Lasers gerichteten Gradientenkraft gedrückt und festgehalten – die Laserpinzette war erfunden. Das war im Jahr 1986.

Mit einer optischen Pinzette lassen sich nicht nur Glaskügelchen untersuchen. Als Ashkin auf der Suche nach immer kleineren Objekten mit Viren experimentierte, liess er eines Nachts ein Gefäss mit Viren geöffnet. Am nächsten Tag tummelten sich auch grössere Objekte darin, die er unter dem Mikroskop als Bakterien identifizierte. Auch diese liessen sich mit der Laserpinzette einfangen. Aber das energiereiche grüne Licht des Lasers tötete die Bakterien. So nutzte er einen energieärmeren Infrarotlaser, um die Mikroben unbeschädigt einfangen zu können. Das öffnete die Möglichkeit, kleinste Lebewesen und lebende Zellen zu studieren.

«Seit rund 15 Jahren wird die Laserpinzette in der Biologie intensiv genutzt», sagt Vogel. «Man kann zum Beispiel Moleküle mithilfe einer Laserpinzette strecken und die Kräfte messen, die es dazu braucht.» Ein wichtiger Durchbruch sei es auch gewesen, sogenannte Motorproteine zu untersuchen. Das sind grosse Moleküle im Innern von Zellen, die dort der Bewegungserzeugung dienen. «Mit vielen parallelen Laserpinzetten kann man auch grössere Systeme manipulieren», sagt Vogel. So kommen Tausende Laserpinzetten zum Einsatz, um gesunde von infizierten Blutzellen zu trennen. Mit dieser Methode wird zum Beispiel Malaria bekämpft.

Auf einer anderen Klaviatur der Laserphysik haben Mourou und Strickland gespielt. Seit Laser vor fast 60 Jahren erfunden wurde, haben Physiker versucht, immer intensivere und immer kürzer gepulste Laserstrahlen zu erzeugen. Zunächst machten sie dabei grosse Fortschritte. Aber schon ab etwa 1970 ging es kaum mehr voran. Die Intensität der Laserpulse liess sich kaum noch erhöhen, ohne die bei der Verstärkung eingesetzten Materialien zu zerstören.

Dann betrat Strickland die Bühne, die bei Mourou an der University of Rochester, New York, ihre Doktorarbeit schrieb. 1985 entwickelte sie mit Mourou als Betreuer eine neue Technologie, die etwas kryptisch als Verstärkung gechirpter Pulse bezeichnet wird, auf Englisch: chirped pulse amplification (CPA). Das Rezept: Man nehme einen kurzen Laserpuls, dehne ihn mithilfe eines speziellen optischen Bauteils auseinander, verstärke den gestreckten Puls und komprimiere ihn wieder mit einem ähnlichen Bauteil. Die Intensität des resultierenden Pulses steigt auf diese Weise dramatisch an. Wie das Nobel-Komitee schreibt, habe die CPA-Technologie die Laserphysik revolutioniert.

Laser als Zeitraffer-Kameras

Bald entpuppten sich die in­tensiven, ultrakurzen Laserpulse als Zeitraffer-Kameras. Als die Pulse nur noch Femtose­kunden dauerten, also rund 0,000'000'000'000'001 Sekunden, konnten die Forscher enorm schnelle Vorgänge wie chemische Reaktionen und andere Bewegungen in der Mikrowelt untersuchen, von denen sie zuvor nur den Anfangs- und Endzustand zu Gesicht bekamen. Nun liessen sich diese schnellen Vorgänge wie in einem Film einfangen. Noch kürzere Pulse erlaubten es, sogar die Welt der Elektronen zu studieren und zu kontrollieren, welche die optischen und elektrischen Eigenschaften der Materie bestimmen. Beim Streben nach immer kürzeren Pulsen scheint kein Ende in Sicht.

Parallel zur Kürze der Pulse stieg deren Intensität. Immer bessere Werkzeuge zur Manipulation von Materie liessen sich nun bauen. Damit konnten die Forscher enorm präzise und kleine Löcher in diverse Materialien oder in lebende Organismen bohren, bessere dreidimensio­nale Datenspeicher bauen, Oberflächen wasserabweisend oder antibakteriell machen, Gefässstützen (Stents) herstellen, Augen operieren und vieles mehr. Was die Leistung der Laser betrifft, ist auch hier das obere Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht.

«Die Nobelpreise wurden für Entdeckungen vergeben, die heute zahlreiche praktische Anwendungen haben», sagt Vogel. «Die Preise sind hoch verdient.» Es sind, wenn man so will, Lichtpartituren, die es von der Kammer der Komponisten in die Konzertsäle der Welt geschafft haben.

(Redaktion Tamedia)

Erstellt: 02.10.2018, 23:24 Uhr

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