Expedition in die Mikrowelt

Was Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik an seiner Forschung fasziniert

17. Oktober 2018

Wir versuchen, mit Kurzpulslasertechnologie immer weiter in die mikroskopische Welt vorzustoßen. Schon Anfang der 1990er-Jahre, als ich an der Technischen Universität Wien promoviert habe, fand ich es besonders faszinierend, mit den extrem kurzen Lichtblitzen, die damals durch neue Laser möglich wurden, in immer kleinere Dimensionen von Ort und Zeit vorzudringen – noch bevor ich wusste, welchen praktischen Nutzen das dabei gewonnene Wissen einmal haben könnte.

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Ferenc Krausz, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching.

Das Gebiet war damals und ist heute immer noch weitgehend unerforscht und hat großes Potenzial. Ahmed H. Zewail hat schon 1999 den Nobelpreis für Chemie für seine Pionierarbeit in der Femtosekundenspektroskopie erhalten, und der Nobelpreis für Physik 2018 würdigt die Beiträge von Donna Strickland und Gérard Mourou zur Erzeugung ultrakurzer, intensiver Laserpulse. Daran  knüpfen wir an. Uns geht es heute um ein besseres Verständnis, wie mikroskopische Vorgänge, an denen Elektronen, Atome und Moleküle beteiligt sind, ablaufen. Außerdem möchten wir herausfinden, welche Auswirkungen diese Vorgänge für makroskopische Phänomene haben, die wir dann auch nutzen können. Im Zuge dieser Bestrebungen haben wir Anfang der 2000er-Jahre die weltweit kürzesten Pulse im Attosekunden-Bereich erzeugt und gemessen. Damit haben wir erstmals Elektronenbewegungen in atomaren Dimensionen in Echtzeit beobachten können.

Mögliche Anwendungen in der Elektronik der Krebsdiagnostik

Diese Bewegungen sind für viele makroskopische Vorgänge von Bedeutung: Sie können Moleküle zum Zerfall bringen oder zu neuen Bindungen führen und so biologisch relevanten Molekülen neue Funktionen verleihen oder zum Verlust der biologischen Wirkung führen. Die Prozesse bestimmen also grundlegend, wie lebende Organismen funktionieren und wie Krankheiten entstehen. Wenn wir mehr besser sie wissen, können wir vielleicht neue Medikamente gegen schwere Krankheiten wie beispielsweise Krebs entwickeln.

Außerdem sind Elektronen die zentralen Akteure in der modernen Elektronik. Wenn wir also elektronische Geräte wie etwa Smartphones oder Computer immer effizienter und leistungsstärker zu machen, müssen wir ihre Bewegungen in immer kleineren Dimensionen besser verstehen und auch kontrollieren.

Bis vor kurzem handelte es sich bei der Attosekundenphysik noch um reine Grundlagenforschung. Vor zwei oder drei Jahren hat sich aber eine ganz neue Möglichkeit für praktische Anwendungen ergeben: Wir möchten mithilfe von Femto- und Attosekundenmesstechnik Blutproben analysieren und kleinste Veränderung in deren Zusammensetzung nachweisen. Wir untersuchen, ob diese Veränderungen spezifisch genug sind, um Krankheiten – möglichst auch im anfänglichen Stadium –eindeutig diagnostizieren zu können. Das läutet für uns eine neue Ära der Attosekundenphysik ein, weil es die erste Anwendung aus unserem relativ jungen Forschungsfeld wäre, die sich unmittelbar auf den Alltag der Menschen auswirken könnte.

Max-Planck-Schools vereinen Know-How aus vielen Richtungen

Hervorragende Doktoranden können auf allen Gebieten, auf denen wir aktiv sind, wichtige Beiträge leisten. Wir als Senior Scientists geben zwar mit unserer Erfahrung die Richtung und Strategie vor, wohin die Forschung gehen soll. Dann aber lebt die Forschung von der Kreativität und den neuen Ideen der Doktorandinnen und Doktronanden. Die Max-Planck-Schools schaffen da neue Möglichkeiten, weil ihre Studenten an mehreren Standorten eine gewisse Zeit verbringen können. Das kann in unserem Forschungsgebiet, in dem wir Know-How aus vielen Richtungen brauchen, sehr hilfreich sein. Ich denke, dass Doktoranden manche Fähigkeit, die für unsere Forschung wichtig ist, an anderen Standorten erwerben und dann bei uns einbringen können.

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