Gesundheit: Physik: Mit Lichtblitzen in Atome blicken

Höher, schneller, weiter - nein, kürzer! Forscher erzeugen mit Lasern immer kürzere Lichtblitze. Mit diesen kurzen Pulsen können sie dann sehr schnelle Vorgänge wie Schwingungen von Molekülen messen. Institute auf der ganzen Welt konkurrieren miteinander, entsprechende Laser zu bauen. Jetzt ist es einem holländischen und einem Berliner Forscherteam gelungen, unabhängig voneinander noch kürzere Lichtpulse zu erzeugen.

In der Forschung sind Laserpulse mit der Dauer weniger Femtosekunden bereits fast alltäglich. In einer Femtosekunde legt das Licht nicht einmal eine Haaresbreite zurück. Sie ist der milliardste Teil einer millionstel Sekunde. Mit solchen Lasern lassen sich bereits Molekülbewegungen untersuchen, chemische Reaktionen steuern und Materialien auf besonders schonende Art schneiden.

Harm Geert Muller vom Institut für Atom- und Molekülphysik in Amsterdam ist es jetzt zusammen mit niederländischen und französischen Kollegen gelungen, noch feinere Lasersignale zu erzeugen. Sie sind noch etwa zehn mal kürzer, nur 220 Attosekunden lang, berichten sie im amerikanischen Wissenschaftsmagazin "Science". Eine Attosekunde ist noch 1000 mal kleiner als eine Femtosekunde. Damit hoffen die Physiker, sogar die Bewegung einzelner Elektronen um den Atomkern beobachten zu können.

Eines der Hauptprobleme, vor dem die Forscher stehen, ist: Wie misst man die Länge des Pulses? Uhren ticken nicht genau genug. Vermutlich sind schon seit mehreren Jahren Laserpulse von so kurzer Dauer erzeugt worden. Doch niemand konnte sie nachweisen.

Muller und seine Kollegen nutzten die Fähigkeit von Licht, Atomen in einem Gas ihre Elektronen zu entreißen. So haben sie die Lichtsignale erstmals sichtbar gemacht. Die Erzeugung der Pulse war im Vergleich dazu recht einfach: Die Wissenschaftler spalteten einen 40 Femtosekunden langen Strahl eines Infrarot-Lasers auf. Einen Teil des Strahls lenkten sie auf ein Argon-Gas. Das Licht schlug Elektronen aus den Hüllen der Gasatome heraus. Wenn diese Elektronen auf die positiv geladenen Atome zurückfallen, entsteht noch energiereicheres Licht, UV-Strahlung.

Dieses Licht gab sich nicht mehr als kontinuierlicher Strahl zu erkennen. Wie auf einer Perlenkette reihten sich ultrakurze Lichtspitzen aneinander. Dazwischen gab es leere Abschnitte. Denn ein Großteil des Lichtes hatte sich durch Überlagerung aufgehoben. Das verbleibende Licht dagegen hatte nun einen festen Frequenz- und Energieabstand zueinander.

Harm Geert Muller ist zuversichtlich, dass sich noch kürzere Lichtsignale herstellen lassen, die den Forschern auch die Elektronenbewegung um die Atomkerne zeigen könnten. "Wir arbeiten daran, aber im Moment ist das wirklich noch Science Fiction."

Auch Physikern des Max-Born-Instituts in Berlin-Adlershof kam kürzlich ein außergewöhnlicher Lichtblitz. Sie schickten den kürzesten Puls sichtbaren Lichts auf Reisen. Das Licht strahlte nur 3,8 Femtosekunden und war mit bloßem Auge erkennbar.

Mit diesen sichtbaren Lichtpulsen ergeben sich ganz andere Anwendungsmöglichkeiten. Wissenschaftler können damit biologische Strukturen untersuchen, auch sind bereits Augenoperationen mit ähnlichen Femtosekunden-Lasern gemacht worden. Ihr Licht lässt sich außerdem leichter handhaben. Denn der Laser liefert einzelne Pulse statt einer ganzen Kette von Lichtspitzen.

Die Wissenschaftler des Max-Born-Instituts regen ihre Lichtblitze ebenfalls mit einem kurzen Infrarot-Laserstrahl an. Diesen lassen sie auf eine gasgefüllte Röhre treffen. Das Gas wird dadurch zu molekularen Schwingungen angeregt, ähnlich wie eine Metallstange, die durch einen Hammerschlag vibriert.

Nach einer kurzen Wartezeit beschießen sie das Gas erneut mit einem Laserstrahl. Die Wechselwirkung des bereits schwingenden Gases mit dem zweiten Laserstrahl erzeugt ein ganzes Spektrum neuer Lichtfrequenzen. Viel besser als ihre niederländischen Kollegen konnten die Berliner nun jedoch steuern, welcher Lichtblitz dabei am Ende entsteht.

Die Ergebnisse beider Gruppen zeigen, dass sich die Lasertechnik schnell weiterentwickelt. Neue Rekorde sind zu erwarten, und im Zuge der Forschung werden zunehmend kommerzielle oder medizinische Anwendungen möglich. Aus dem Wettlauf um die kürzesten Pulse wird möglicherweise eine weniger kurzlebige, dafür aber wichtige Industrie.

Swantje Meier