Physiker gewinnen Nobelpreis für Laser, die Moleküle dehnen, beugen und sprengen


Der Laser ist ein Werkzeug vieler Talente, wie das Nobelkomitee weiß. Am Dienstagvormittag in Stockholm kündigten ihre Mitglieder den diesjährigen Physikpreis an und rappelten eine kurze Liste der Technologien, die sie ermöglicht haben: Strichcodes, Augenoperationen, Krebsbehandlung, Schweißen, Schneiden von Materialien genauer als ein Skalpell. Sie haben die Laune, die sie Katzenbesitzern gebracht hat, nicht anerkannt, obwohl ein Komitee-Mitglied Laserlicht-Shows erwähnte.

Der Lebenslauf des Lasers wächst weiter. In diesem Jahr verlieh das Nobel-Komitee den Preis für Physik an drei Wissenschaftler, die zwei bahnbrechende Wege zu ihrer Verwendung fanden: Arthur Ashkin für die Entwicklung einer Technik zum Greifen und Studium mikroskopischer Objekte, bekannt als optische Pinzette, und Donna Strickland und Gérard Mourou für die Erfindung eines Methode, um intensive Lichtimpulse zu erzeugen, die für ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde mehr Energie enthalten als das gesamte US-Stromnetz. Diese Lasertechniken haben medizinische Verfahren, Herstellung und biologische Forschung transformiert, sagte das Komitee. Die drei werden den Preis von 9 Millionen Kronen (ungefähr $ 1 Million) teilen, wobei Ashkin die Hälfte erhält und Strickland und Mourou die andere Hälfte teilen.

Mit 96 Jahren ist Ashkin der älteste Nobelpreisträger überhaupt. Er entwickelte 1970 eine optische Pinzette, während er als Wissenschaftler bei Bell Labs arbeitete. Er fand heraus, dass, wenn Sie einen Laser auf eine bestimmte Art fokussieren, Sie einen Sweet Spot im Strahl erzeugen können, wo bestimmte mikroskopische Perlen harmlos und bewegungslos liegen können. Durch das Anbringen von Proteinen oder anderen winzigen biologischen Objekten auf der Perle können Sie diese präzise steuern und pressen. Seit Ashkins Erfindung haben Wissenschaftler mithilfe der Pinzette einzelne Viren, Bakterien, Proteine, DNA und mehr gefangen und damit gespielt. Sie erlauben es Wissenschaftlern beispielsweise, einzelne Zellen zu greifen und zu sortieren und zu beobachten, wie Zellen, die Phagozyten genannt werden, Bakterien verschlingen, um den Menschen gesund zu erhalten. Wissenschaftler haben sogar die Pinzette verwendet, um die Kräfte während der Mitose zu messen – eine Zelle, die sich in zwei Teile teilt.

Insbesondere optische Pinzetten lassen Wissenschaftler die Elastizität und Biegsamkeit biologischer Strukturen untersuchen, sagt die Physikerin Michelle Wang von der Cornell University. Die Pinzetten sind empfindlich genug, um ein DNA-Molekül zu dehnen. Wang verwendet optische Pinzetten, um die Drehbewegung von Motorproteinen zu untersuchen, bei denen es sich um Strukturen handelt, die Moleküle und andere Objekte im Körper bewegen.

Die Erfindung von Strickland und Mourou – eine Technik, die als gechirpte Pulsverstärkung bekannt ist – erlaubt es Wissenschaftlern, Laserlicht in die Petawatts zu verstärken, was mehr Energie ist als eine Billion Sonnenkollektoren unter direkter Sonneneinstrahlung. Vor ihrer Neuerung im Jahr 1985 war diese Intensität nicht möglich. Der Strahl sei so stark, dass er Teile des Lasers zerstören würde, sagt der Physiker Arvinder Sandhu von der University of Arizona. Strickland, der jetzt an der Universität von Waterloo arbeitet, und Mourou von der École Polytechnique in der Nähe von Paris haben herausgefunden, wie man zuerst den Laserpuls ausstreicht – die Photonen in einem langsamen Strom liefert – und dann in einem anderen zu einem scharfen Ausbruch zusammenquetscht Teil des Lasers, der mit der Intensität umgehen konnte.

Die Laser emittieren bei dieser hohen Leistung nicht kontinuierlich; stattdessen dauert dieses Intensitätsniveau so kurz wie ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde (eine "Attosekunde"). Diese Impulse sind besonders nützlich, da sie Materialien wie biologisches Gewebe präzise wegschneiden können, ohne ihre Umgebung zu beschädigen. Deshalb werden sie bei korrektiven Augenoperationen eingesetzt, sagt Sandhu. In ähnlicher Weise werden industrielle Prozesse verwendet, um Baumaterialien vorsichtig zu schneiden – "so wie es das Auge bearbeitet", sagte Strickland während der Preisankündigung.

Wie die optische Pinzette können diese kurzen Pulse auch zur Beobachtung mikroskopischer Prozesse verwendet werden. Sandhu zeigt die kurzen Ausbrüche auf exotische neue Materialien und benutzt sie etwas wie eine Kamera. Insbesondere interessiert ihn, was Elektronen in einem Material tun, da sie die Eigenschaften des Materials wie elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus und Schmelzpunkt bestimmen. Die Intensität des Lichts reißt Elektronen von Atomen im Material ab, so dass Sandhu ihr Verhalten studieren kann. Kurze Pulse bieten einen Vorteil wie eine kurze Verschlusszeit: Je kürzer der Puls, desto deutlicher können Sie erfassen, was die Elektronen in Zeitlupe tun.

Der diesjährige Preis ist besonders bemerkenswert, weil das Nobelkomitee sowohl Mourou als auch Strickland anerkannte, sagt Sandhu. Als sie die Technik entwickelten, war Strickland der Doktorand von Mourou, eine Demographie, deren Errungenschaften vom Nobelkomitee historisch übersehen worden waren. "Nachwuchsforscher spielen eine wichtige Rolle in der Physik", sagt er. "Es ist gut zu sehen, dass nicht nur Berater erkannt werden."

Es ist auch "sehr ermutigend", dass sie dieses Jahr den Preis an eine Physikerin verliehen haben, sagt Sandhu. Strickland ist die erste Frau, die in 55 Jahren den Physik-Nobelpreis erhalten hat. Nur drei Frauen – Marie Curie, Maria Goeppert-Mayer und jetzt Strickland – haben den Nobelpreis für Physik erhalten. "Ist das alles? Wirklich? "Sagte Strickland während der Konferenz. Das bringt den Gesamtanteil weiblicher Physik-Preisträger auf etwa 1,5 Prozent. Die American Physical Society fand heraus, dass Frauen im Jahr 2017 21 Prozent der College-Physik-Abschlüsse machten.

"Offensichtlich müssen wir Frauenphysiker feiern, weil wir da draußen sind", sagte Strickland. "Hoffentlich wird es mit der Zeit schneller voranschreiten." Zumindest während der Zeremonie machte jemand endlich Strickland eine Seite auf Wikipedia.


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