Forscher erzeugen kürzeste Lichtblitze aller Zeiten

Das Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ist weltweit führend bei der Grundlagenforschung mit Lasern. Wolfgang Ketterle, der deutsche Physiknobelpreisträger von 2001, lernte hier sein Handwerk. Und Theodor Hänsch, der 2005 den Anruf aus Stockholm bekam, arbeitet im Nachbarlabor von Ferenc Krausz. Der Physikprofessor und Max Planck-Direktor ist Experte für die Erzeugung ultrakurzer Laserblitze. Attosekundenphysik heißt das Fachgebiet, das der gebürtige Ungar hier vor einigen Jahren begründet hat.

Die Forschungsergebnisse von Ferenc Krausz zierten schon mehrfach die Titelseiten renommierter Fachblätter. Im seinem Büro hängt eine Urkunde vom Guiness-Buch-der-Rekorde, ausgestellt 2008, für den kürzesten Laserblitz aller Zeiten. 80 Attosekunden war er lang, also 80 Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Auf diese Zeitskalen muss sich begeben, wer die Elektronen in Atomen und Molekülen in Echtzeit ablichten will, sagt Ferenc Krausz.

Elektronen bewegen sich in Zeitlupe

Der Physiker steht in einem riesigen, abgedunkelten Raum. Lüfter rauschen, Vakuumpumpen surren. Drei junge Männer hantieren an einem Tisch, der bald zehn Meter lang ist. Der Aufbau des Gewirrs von Lasern, Spiegeln und Vakuumkesseln hat Jahre gedauert. Überall Messgeräte, Spannungsquellen, Kabel und Monitore. "Das ist nichts anderes als eine ultraschnelle Kamera, mit einer Attosekundenbelichtungszeit." Mit dieser Kamera könnten Schnappschüsse gemacht werden, erklärt Krausz, um Bewegungen in Zeitlupe zu rekonstruieren.

2002 konnten die Garchinger Forscher auf diese Weise erstmals live verfolgen, wie die Elektronen des Edelgases Krypton ihre Umlaufbahn um den Atomkern ändern. Ein Quantensprung, im wahrsten Sinne des Wortes. Seitdem gewannen die Elektronen-Paparazzi weitere faszinierende Einblicke. Sie filmten Elektronen, die Atomen gewaltsam entrissen wurden. Und sie beobachteten wie Elektronen durch Energiebarrieren schlüpfen, die laut klassischer Physik unüberwindbar sind.

Doch die Elektronen in Atomen und Molekülen live zu beobachten, genügt den Forschern längst nicht mehr. Momentan tüfteln sie daran, sie aktiv zu beeinflussen. Möglicherweise, so die Hoffnung, ließen sich so einmal elektronische Schaltkreise auf Trab zu bringen.

Ultrakurze Laserblitze für die Medizin

Parallel dazu erforschen die Garchinger Licht-Dompteure auch medizinische Anwendungen. Denn ihre ultrakurzen Laserblitze könnten Elektronen so stark beschleunigen, dass sie laserartige Röntgenstrahlung aussenden. "Wenn wir das eines Tages erreichen, dann sind wir so weit, dass wir mit einer einigermaßen kompakten Anlage gebündelte harte Röntgenstrahlung für klinische Anwendungen bereit haben", hofft der Physiker. Denn gebündelte Röntgenstrahlung ist wichtig für die Früherkennung von Krebs und lässt sich heute nur in riesigen Teilchenbeschleunigern erzeugen.

Eine laserbasierte Röntgenlampe dagegen könnte künftig in den Keller einer Klinik passen. Der Vorteil für die Patienten: Sie müssten zwecks Tumor-Diagnose nicht mehr extra zu einer entfernten Strahlenquelle reisen. Ein neues Forschungsprojekt zur Verwirklichung dieser Vision ist in den Startlöchern.

Autor: Ralf Krauter
Redaktion: Judith Hartl