Physik
Mit 26 Jahren den Nobelpreis vorgespurt

Eine Forscherin und zwei Forscher haben bahnbrechende Laser-Werkzeuge entwickelt.

Niklaus Salzmann
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Donna Strickland und Gérard Mourou machten Laserkorrekturen von Sehfehlern möglich.Shutterstock

Donna Strickland und Gérard Mourou machten Laserkorrekturen von Sehfehlern möglich.Shutterstock

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Es war die allererste wissenschaftliche Publikation der jungen Kanadierin Donna Strickland. Gemeinsam mit ihrem Doktorvater, dem Franzosen Gérard Mourou, beschrieb sie eine Methode zur Verstärkung von Laserpulsen. Das war im Jahr 1985, sie war 26 Jahre alt. Gestern wurden die beiden dafür mit der einen Hälfte des Physiknobelpreises 2018 ausgezeichnet. Die andere Hälfte geht an den US-Amerikaner Arthur Ashkin, der eine optische Pinzette entwickelt hat.

Strickland ist die dritte Frau unter den bislang 209 Gewinnern des Physiknobelpreises. Davor war diese Ehre im Jahr 1963 der deutschen Physikerin Maria Goeppert-Mayer zuteilgeworden. Sie wurde bereits als Kind vom Vater zu einer Berufskarriere ermuntert – angeblich mit den Worten: «Werde nie eine Frau, wenn du gross bist.» Die erste weibliche Nobelpreisträgerin war 1903 Marie Curie gewesen, die acht Jahre später als erste Person überhaupt einen zweiten Nobelpreis erhielt, diesmal für Chemie.

Donna Strickland zeigte sich gestern an der Pressekonferenz des Nobelkomitees überrascht, erst die dritte Frau in dieser Reihe zu sein. «Wir müssen weibliche Physikerinnen feiern, denn es gibt uns da draussen», sagte sie per Telefon. «Ich fühle mich geehrt, eine dieser Frauen zu sein.»

Sie hatte sich in den Achtzigern an der Universität Rochester in den USA mit dem noch jungen Gebiet der Laserphysik befasst. Dieses hatte sich nach der Erfindung im Jahr 1960 rasch entwickelt, kam dann aber nicht mehr recht voran – es gelang nicht, die Laserpulse noch kürzer und intensiver zu machen. Genau dies ist aber nötig, um hochpräzise Messungen und Operationen durchzuführen.

Arthur Ashkin Die Interessen des US-Physiker Arthur Ashkin gehen weit über die entwickelte optische Pinzette hinaus. Heute arbeitet der emeritierte Physiker an Solarkollektoren und bereitet gerade einen Fachartikel dazu vor. Ashkin wurde 1922 in New York City geboren. Er ist mit 96 Jahren der älteste Mensch, der je einen Nobelpreis bekam. Schon als kleines Kind interessierte er sich dafür, wie die Dinge funktionieren. Ausserdem hatte er einen älteren Bruder, der Physiker war. «Er hat mich inspiriert», sagt Ashkin. Selbst arbeitete er als Physiker dann 40 Jahre lang an den Bell Laboratories, der ehemaligen Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T. Dort entwickelte er die erste optische Pinzette. (SDA)
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Gérard Mourou Die Arbeit des Franzosen Gérard Mourou kommt heute vielen Augenpatienten in der ganzen Welt zugute. Mourou arbeitete lange in den USA. Der 74-Jährige und seine 15 Jahre jüngere Schülerin Donna Strickland wurden in Sachen Laserpulsen in den Achtzigerjahren zu einem starken Team. Mourou sei eine «bemerkenswerte Persönlichkeit», sagt der deutsche Physiker Ludger Wöste über seinen französischen Kollegen. Er sprühe nur so vor Ideen und habe unkonventionelle Denkansätze: «Ein hochorigineller, nicht konventioneller Mensch», so Wöste. «Physiker sehen alle gleich aus – er ist anders.» Andere Kollegen beschreiben ihn als topfit – er war lange begeisterter Schwimmer. (SDA)
Donna Strickland Ein Nerd will sie nicht sein. «Wer möchte schon Sonderling oder Streber genannt werden?», fragte Donna Strickland 2010 in einem Zeitungsinterview mit Blick auf die erfolgreiche Physik-Sitcom «The Big Bang Theory». Sie bevorzuge die Beschreibung «Laser-Enthusiast». Seit 1997 lehrt Strickland in Kanada an der Universität Waterloo, 30 Autominuten von ihrer Geburtsstadt Guelph entfernt. Ihre Doktorarbeit hatte sie mit Gérard Mourou in Rochester in den USA geschrieben. Zu ihren Fachgebieten gehören Laser-Materie-Interaktionen, nichtlineare Optik und Lasersysteme. Für ihre Forschung erhielt sie schon mehrere Auszeichnungen. Mit Laser-Forscher Douglas Dykaar hat sie zwei Kinder. (SDA)

Arthur Ashkin Die Interessen des US-Physiker Arthur Ashkin gehen weit über die entwickelte optische Pinzette hinaus. Heute arbeitet der emeritierte Physiker an Solarkollektoren und bereitet gerade einen Fachartikel dazu vor. Ashkin wurde 1922 in New York City geboren. Er ist mit 96 Jahren der älteste Mensch, der je einen Nobelpreis bekam. Schon als kleines Kind interessierte er sich dafür, wie die Dinge funktionieren. Ausserdem hatte er einen älteren Bruder, der Physiker war. «Er hat mich inspiriert», sagt Ashkin. Selbst arbeitete er als Physiker dann 40 Jahre lang an den Bell Laboratories, der ehemaligen Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T. Dort entwickelte er die erste optische Pinzette. (SDA)

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Die Idee von Strickland und Mourou war im Prinzip einfach: Statt einen Laserpuls direkt zu verstärken, haben sie ihn zuerst zeitlich gedehnt, dann verstärkt und schliesslich wieder gestaucht. So konnten sie technische Limitationen umgehen und extrem intensive Pulse erzeugen. Es dauerte aber mehrere Jahre, bis dies tatsächlich klappte. Unter anderem wies ein 2,5 Kilometer langes Spezialkabel eine Bruchstelle auf – sie mussten dann mit 1,4 Kilometern auskommen.

Schliesslich gelang es aber, Laserpulse zu erzeugen, die nur gerade einen Millionstel einer Milliardstelsekunde dauerten. Mit dieser Technologie kann Material ausserordentlich präzise bearbeitet werden, ohne es ausserhalb des angezielten Punktes zu beschädigen. Die bekannteste Anwendung davon ist die Korrektur von Kurzsichtigkeit: Statt eine Brille zu tragen, können Betroffene mit einem Laserstrahl ein linsenförmiges Stück aus der Hornhaut schneiden lassen. Solche Laser kommen aber auch zum Einsatz, um Röhrchen aus Metall zur Verstärkung von Blutgefässen oder der Harnwege zu fertigen. Ein derartiger Laser kann zudem industriell verwendet werden, zum Beispiel, um winzige Löcher in elektronische Speichermedien zu bohren, wodurch deren Speicherkapazität erhöht wird. Für die Zukunft könnte noch vieles an Anwendungen dazukommen, so in der Behandlung von Krebs und in der Entwicklung effizienterer Solarzellen.

Lichtstrahl übt Druck aus

Bei der Erfindung von Arthur Ashkin, der die andere Hälfte des mit rund einer Million Franken dotierten Nobelpreises erhält, handelt es sich ebenfalls um ein Werkzeug aus Licht, eine Art Pinzette. Seine ursprüngliche Idee war gewesen, ein kleines Kügelchen durch Licht zu verschieben. Das funktionierte tatsächlich, denn ein Lichtstrahl übt auf das Material, auf das er auftrifft, Druck aus. Doch Ashkin staunte über etwas anderes: Die Kügelchen bewegten sich jeweils zur Mitte des Strahls hin. Dies ist ein Effekt, den das Nobelpreiskomitee an der gestrigen Medienkonferenz mit einem kurzen Video demonstrierte: Ein Mann balanciert darin einen Tischtennisball im Strahl eines Haarföhns. Wenn er den Föhn neigt, macht der Ball die Bewegung mit und bleibt im Zentrum des Strahls.

Nach diesem Prinzip gelang es Ashkin, Teilchen in einem Laserlichtstrahl festzuhalten – das wird als optische Pinzette bezeichnet. Der Zufall brachte ihn noch einen Schritt weiter: Als er eine Probe über Nacht offen stehen liess, setzten sich Bakterien darauf nieder. Unter dem Mikroskop sah er, dass auch sie von seiner Lichtfalle gefangen wurden. Er entwickelte die Methode weiter, um andere Bakterien, Viren und Zellen festzuhalten. Inzwischen konnten so diverse Vorgänge in den Zellen aufgeklärt werden. Auch hier ist für die Zukunft noch einiges zu erwarten: So könnten mit Tausenden gleichzeitig operierenden optischen Pinzetten im menschlichen Körper beispielsweise gesunde von infizierten Blutzellen separiert werden, um Malaria zu bekämpfen.

Dass unter den drei neuen Nobelpreisträgern eine Frau ist, veranlasste an der gestrigen Pressekonferenz einen Journalisten zur Frage nach dem Frauenanteil unter den Nominierten. Der Anteil sei klein, lautete die Antwort. Dies widerspiegle den Frauenanteil in den Naturwissenschaften vor zwanzig bis dreissig Jahren.

Erst vergangene Woche hatte ein italienischer Gastwissenschafter am Forschungszentrum Cern in Genf gezeigt, dass in der Physik noch Vorurteile gegen Frauen existieren. Das Fachgebiet sei von Männern erfunden und aufgebaut worden, sagte er in einem Vortrag. Das Cern setzte die Zusammenarbeit mit ihm inzwischen aus.