Gesundheit: Tanz der Atome im Laserlicht

Atome zu beobachten, die in einer chemischen Reaktion zu einem Molekül verschmelzen, ist ein alter Traum von Chemikern. Bisher war dieser Wunsch unerfüllbar, denn diese Prozesse laufen so schnell ab, dass keine Kamera der Welt sie aufnehmen kann. Beispielsweise dauert die Reaktion eines Bariumatoms mit einem Fluormethan-Molekül nur 270 Femtosekunden - das ist fast nichts, wenn man bedenkt, dass eine Femtosekunde dem Milliardstel einer Millionstel Sekunde entspricht.

Forscher vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin-Adlershof arbeiten seit Jahren mit ultrakurzen Laserimpulsen, um chemische Reaktionen "abtasten" zu können. Zunächst bringt ein Blitz aus Laserlicht - nur wenige Femtosekunden lang - die chemische Reaktion in Gang. Die Partner treten in Wechselwirkung, dabei ändern sich auch ihre optischen Eigenschaften.

Nach wenigen Femtosekunden folgt ein zweiter Laserimpuls, um die optischen Eigenschaften abzufragen. Die Forscher variieren nun den Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Laserimpuls und wiederholen das Experiment mehrmals. Die Folge von Messwerten gibt den zeitlichen Verlauf der Reaktion wieder - gewissermaßen als Film.

"Die Forschung ist noch am Anfang", sagte Frank Noack vom MBI kürzlich in der Berliner Urania. Das MBI gehört zum Forschungsverbund Berlin, einem Zusammenschluss von acht Instituten. Zum zehnten Jahrestag der Gründung fand eine Vortragsreihe statt.

Bisher kann man den Ablauf chemischer Reaktionen nur beobachten, wenn sie mit Licht aktiviert werden können - so genannte photochemische Reaktionen. Die Ambitionen der Forscher gehen aber weiter: Sie wollen Reaktionen auch beeinflussen.

"Wir wollen die Reaktionen mit geeigneten Laserimpulsen verzögern oder stoppen", sagt Noack. Auf diese Weise könne man zwei Atome oder Moleküle kontrolliert miteinander reagieren lassen. Dies ergäbe Einblicke in die komplizierten Prozesse der Quantenwelt.

Leichter verständlich sind die Vorgänge in der photodynamischen Krebstherapie. Dabei wird dem Patienten ein Farbstoff eingeimpft, der sich bevorzugt in Tumorgewebe ablagert. Die Färbung macht die Tumoren relativ leicht im Körpergewebe auffindbar. Die fraglichen Stellen werden mit äußerst intensiven und kurzen Laserimpulsen bestrahlt. Die Strahlung zerstört die Substanz und setzt Sauerstoff frei - der Tumor verbrennt.

Sogar als Blitzableiter bewähren sich ultrakurze Laserimpulse. Der Laserstrahl wird hier in das Innere einer Gewitterwolke gelenkt. Die hohe Lichtintensität, die sich mit Laserimpulsen mit einer Länge von wenigen Femtosekunden erreichen lässt, ionisiert die Luft entlang des Laserstrahls. Da ionisierte Luft viel besser leitet als normale Luft, nimmt der Blitz exakt den Weg zur Erde, den der Laserstrahl gekommen ist. Der Blitz lässt sich auf diese Weise an gefährdeten Gebäuden vorbeileiten.

Die Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse ist allerdings schwierig. Bei einem normalen Laser wird Licht einer bestimmten Wellenlänge zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert. Dabei wird es mit Hilfe eines optisch aktiven Mediums - das kann zum Beispiel ein Rubinkristall sein - auf sehr hohe Intensitäten verstärkt.

Einer der beiden Spiegel ist nun halbdurchlässig, er lässt also einen bestimmten Anteil des hochintensiven Lichts durch. Dieser Anteil verlässt das Spiegelsystem als Laserstrahl. Um ultrakurze Impulse zu erzeugen, verwendet man nicht nur Licht einer einzigen Wellenlänge, sondern lässt gleichzeitig mehrere tausend verschiedene Wellenlängen zwischen den Spiegeln laufen.

Die ultrakurzen Impulse entstehen, wenn es gelingt, die verschiedenen Wellen so zu überlagern, dass sie sich zu sehr kurzen und heftigen Impulsen addieren. Die kürzesten derzeit erzeugbaren Laserimpulse haben eine Länge von fünf Femtosekunden. Erzeugt man Laser aus Röntgenstrahlung, erreicht man noch kürzere Zeiten von etwa einer Femtosekunde. Die MBI-Forscher arbeiten daran, selbst diese Zeiten zu unterbieten. Denn je kürzer die Pulse sind, desto schnellere Prozesse kann man untersuchen.