Zu einem Drittel geht der Physik-Nobelpreis nach Deutschland. Die drei Forschenden wurden um ihre Erfolge in der Attosekundenphysik ausgezeichnet. (Bild: Aus https://www.youtube.com/watch?v=guNJjFRKQ9k)
Groß muss die Freude an drei Orten gewesen sein, als das Nobel-Komitee seine Entscheidung verkündete, wer 2023 den Nobelpreis in Physik erhält. Die Wahl fiel auf Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) sowie Pierre Agostini von der Ohio State University (USA) und Anne L’Huillier von der Universität Lund (Schweden). Sie erhalten den Preis für die Begründung der Attosekundenphysik. Zumindest Krausz hatte sicher andere Dinge im Kopf, denn die Nachricht überraschte ihn am Tag der offenen Tür am Max-Planck-Institut für Quantenoptik.
Eine Attosekunde – in Zahlen oder 0,000000000000000001 Sekunden – ist der milliardste Teil einer milliardstel Sekunde. Mit Laserpulsen, die nur einige Attosekunden dauern, lassen sich die Bewegungen einzelner Elektronen verfolgen. Dies ermöglicht nicht nur grundlegende Erkenntnisse über das Verhalten von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern, sondern könnte unter anderem auch dazu beitragen, schnellere elektronische Bauelemente zu entwickeln.
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Die Geschichte der Attosekundenphysik
Im Jahr 2001 erzeugte Ferenc Krausz erstmals Lichtpulse im Attosekundenbereich, deren Anwendung für die Beobachtung von Elektronenbewegungen in Atomen die Wissenschaftsmagazine Nature und Science als eine der zehn wichtigsten naturwissenschaftlichen Errungenschaften des Jahres 2002 auszeichneten.
Die Grundlage dafür legten Ferenc Krausz und sein Landsmann Robert Szipöcs mit der Entwicklung von Spiegeln, mit denen sich extrem intensive Laserpulse aus wenigen Schwingungen einer Lichtwelle erzeugen lassen. Im Jahr 2002 gelang es Ferenc Krausz und Theodor Hänsch, der auch Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Professor an der LMU ist, mit dessen ebenfalls nobelpreisgekrönter Frequenzkamm-Technik nicht nur die Intensität von Lichtpulsen, sondern auch die Phase, also den genauen Verlauf einer Lichtwelle zu kontrollieren.
Mit solchen intensiven, perfekt kontrollierten Lichtpulsen, die allerdings noch einige Femtosekunden dauerten, übten die Forscher um Ferenc Krausz auf elektrisch geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen Kräfte aus, die den inneratomaren Kräften entsprechen. Sie schossen diese Lichtpulse nun auf Edelgasatome und zerrten mit den starken elektromagnetischen Feldern der Blitze Elektronen aus den Elektronenhüllen der Atome. Werden die Elektronen wieder eingefangen, geben die Atome Blitze von wenigen 100 Attosekunden ab. Inzwischen blitzen die kürzesten Lichtpulse für weniger als 100 Attosekunden auf.
In Kürze: Was ist Attosekundenphysik?
Die Attosekundenphysik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit Phänomenen befasst, die auf Zeitskalen von Attosekunden (as) ablaufen. Eine Attosekunde ist 10-18 Sekunden oder 0,000000000000000001 Sekunden. Das ist extrem kurz – zum Vergleich: Eine Attosekunde zu einer Sekunde entspricht einer Sekunde zu etwa 31,7 Milliarden Jahren, also mehr als dem doppelten Alter des bekannten Universums!
Die Attosekundenphysik ermöglicht es Wissenschaftlern, extrem schnelle Prozesse auf atomarer und molekularer Ebene zu beobachten und zu kontrollieren. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Untersuchung der Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern.
Kann die Attosekundenphysik Elektronik schneller machen?
Mit den extrem kurzen Laserblitzen haben die Forscher um Ferenc Krausz viele neue Einblicke in das Verhalten von Elektronen gewonnen. So beobachteten sie Elektronen beim quantenmechanischen Prozess des Tunnelns. Dabei durchdringen die Ladungsträger eine Energiebarriere, die sie nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht überwinden könnten. Der quantenmechanische Tunneleffekt wird zum Beispiel in Rastertunnelmikroskopen und in Flash-Speichern genutzt, die zum Beispiel in USB-Sticks Daten speichern. Ein besseres Verständnis des Tunneleffekts kann helfen, seine technische Anwendung zu verbessern.
Von grundlegender Bedeutung war die Beobachtung des positiv geladenen Lochs, das ein Elektron in einem Edelgasatom hinterlässt. Im Experiment der Forscher besetzen bestimmte Elektronen der Edelgasatome in einem so genannten Überlagerungszustand zunächst gleichzeitig zwei Orbitale - das sind quantenmechanisch die Aufenthaltsräume der Elektronen. Wird nun ein solches Elektron mit einem starken Laserpuls aus dem Atom herauskatapultiert, bleibt ein pulsierendes Loch zurück. Dieses Pulsieren haben die Physiker um Ferenc Krausz mit einem nur 150 Attosekunden langen Puls extrem kurzwelligen ultravioletten Lichts direkt beobachtet, also quasi gefilmt.
Inzwischen verfolgen Physiker die Bewegung der Elektronen auch in Metallen. Sie haben zum Beispiel beobachtet, wie schnell die Elektronen einzelne Atomlagen durchqueren. Solche Erkenntnisse helfen, schnellere elektronische Schaltelemente zu entwickeln.
Das große Anwendungspotenzial der Attosekunden-Laserpulse wird nun im Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) erforscht, einem Forschungsverbund von LMU, TUM und MPQ. Ziel ist es, die Geheimnisse mikroskopischer Bewegungen zu lüften und neue biomedizinische Techniken für das neue Centre for Advanced Laser Applications (CALA) zu entwickeln, das derzeit auf dem Forschungscampus Garching entsteht.