In der rasenden Welt der Quanten

- Der Flügelschlag eines Schmetterlings dauert eine Ewigkeit - vergleicht man ihn mit den Dimensionen, die Professor Ferenc Krausz und sein Team in ihren Labors in Garching erforschen. Erst wenn man den Augenblick des Flügelschlags eine Million Mal unterteilt und diese Zeitspanne noch einmal in 100 Millionen winzige Momente zerstückelt, ist man in der Welt der Forscher. Dann kommt man in die Zeiträume, die Elektronen benötigen, wenn sie ihre Position beim Umkreisen des Atomkerns ändern.

Gesetze der Mechanik gelten nicht mehr

Für genau diese Aktivitäten im atomaren Kosmos interessieren sich die Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik. Solche ultrakurzen Elektronensprünge finden zum Beispiel statt, wenn Licht auf Atome trifft. Atome bestehen in ihrem Kern aus Protonen. Um sie herum kreisen die viel leichteren Elektronen. Das Licht gibt seine Energie an die Elektronen des Atoms ab, die dann wieder-um selbst Energie abgeben können. "Die angeregten Elektronen bewegen sich in wenigen Attosekunden von einer Position im Atom zu einer anderen", erklärt Ferenc Krausz. Eine Attosekunde dauert genau ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde, eine Zahl mit 18 Nullstellen hinter dem Komma.

In diesen Zeit- und Raumdimensionen herrschen andere Gesetze als die der klassischen Mechanik, die Isaac Newton vor rund 400 Jahren aufstellte. In jenem Kosmos der so genannten Quanten erfolgen Energieänderungen und Teilchenbewegungen nur noch sprunghaft, nicht mehr kontinuierlich. Bewegung und Aufenthaltsort eines Teilchens lassen sich nicht gleichzeitig exakt bestimmen. Die Natur des Lichts, das Wellen- und Teilcheneigenschaften zugleich besitzt, steuert zu dieser Welt jenseits der Gesetze der Schwer-kraft noch Phänomene bei, die längst nicht alle geklärt sind.

Einen ersten Eindruck dieser Welt bekommt der Besucher, wenn er das Büro des ungarischen Physikers Ferenc Krausz betritt. An den Wänden seines Zimmers hängen farbige Darstellungen, die an abstrakte Kunst erinnern. Rote und gelbe Wellen vor blauem oder schwarzem Hintergrund schmiegen sich aneinander. Dass es wissenschaftliche Illustrationen sind, offenbart sich dem Betrachter erst, wenn er die Schriftzüge darüber liest. Da prangen die Titel der Wissenschaftsjournale "Nature" und "Science".

Die Attosekundenphysik von Ferenc Krausz hat es nicht nur auf die Titelseiten der internationalen Forschungsmagazine geschafft. In diesem Jahr erhält der Physiker den mit 1,55 Milionen Euro dotierten Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Auch wenn die Abbildungen der Welt der Quanten in Krausz’ Büro eher künstlerisch verspielt wirken -hinter ihrer Erforschung steckt eine Menge Technologie. In den Labors neben Krausz’ Büro tüfteln die Physiker an komplizierten Laseraufbauten. Mit Spiegeln und Prismen bändigen sie grünes und rotes Laserlicht und lenken es auf labyrinthischen Bahnen zielgenau auf ihre Proben. "Wir können bereits Lichtblitze erzeugen, die nur einige hundert Attosekunden dauern", sagt Krausz.

Diese Lichtblitze schießen die Quantenphysiker auf die Atome, die sich meist in Gasform in einer Vakuumkammer befinden. Zwei Laserimpulse werden kurz nacheinander ausgesendet. Der erste Blitz regt die Elektronen an, sodass sie sich bewegen. Der zweite Lichtstrahl beobachtet dann die Reaktion der Teilchen. Durch die Anregung der Elek-tronen geben die negativ geladenen Teilchen schließlich selbstwieder Energie ab. Diese Energie können die Physiker messen. Dadurch ziehen sie Rückschlüsse auf die Wanderwege der Teilchen.

"Das Prinzip ist so ähnlich wie bei der Fotografie", sagt Krausz. "Je kürzer die Verschlusszeit bei der Kamera ist, desto schärfer werden die Bilder, die man von einem Objekt erhält." Je kürzer also die Physiker die Laserpulse produzieren, desto schärfer werden die Darstellungen der Teilchen in der Quantenwelt. "Bei der Zähmung des Laserlichts hat uns Professor Theodor Hänsch sehr geholfen", sagt Krausz. Hänsch hat es geschafft, das aus vielen Farben bestehende Licht mit seinem so genannten Frequenzkamm, für den er 2005 den Nobelpreis erhielt, kontrolliert zu erzeugen. Mit Hilfe dieser Technik ist es den Physikern gelungen, ultrakurze Lichtpule exakter einzusetzen und noch besser zu beobachten, was in den Atomen vor sich geht.

Die schnellsten Vorgänge in der Natur dürften nur wenig schneller sein, als wir sie jetzt mit unserer Lasertechnik abbilden können", sagt Krausz. Mit der Technologie, die er und sein Team entwickeln, sollen nun vor allem Materialien wie Halbleiter verbessert werden. Zudem werden Mikrosko-pe entwickelt, die eine noch bessere Auflösung von Strukturen ermöglichen. Uhren können noch präziser gebaut werden. Die von Krausz entwickelten La-ser werden in Kliniken bereits zur Frühdiagnose von Augen-und Krebserkrankungen getestet.

Lexikon aktuell:

Quanten: Mit Quanten werden Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen bezeichnet, die nicht mehr teilbar sind. Oft bezieht sich der Begriff auch auf kleinste Energieeinheiten, die von einem System auf ein anderes übertragen werden.

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