Der deutsche Physiker Theodor W. Hänsch sowie die US-Amerikaner Roy J. Glauber und John L. Hall erhalten den diesjährigen Nobelpreis für Physik für ihre Beiträge zum Verständnis der Natur des Lichtes. Die Forschungsarbeiten der Physiker könnten nach Ansicht der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften in Zukunft beispielsweise zu Atomuhren führen, die noch viel genauer sind als die heutigen.
Theodor Hänsch und John Hall haben entscheidend zur Entwicklung der laserbasierten Präzisionsspektroskopie beigetragen, mit deren Hilfe die Farbe des Lichts von Atomen und Molekülen extrem genau bestimmt werden kann. Damit wurde es möglich, so die Jury in ihrer Begründung, Frequenzen mit einer bisher nicht gekannten Genauigkeit von 15 Stellen hinter dem Komma zu messen. Laser mit extremer Farbgenauigkeit können hierzu bereitgestellt werden. Die von Hänsch entwickelte Frequenzkamm-Methode erlaubt das präzise Auslesen der Lichtfrequenzen über das gesamte Spektrum. Seit kurzer Zeit kann sogar auch der extreme UV-Bereich gemessen werden.
Sie ermöglicht beispielsweise, die Stabilität der Naturkonstanten im Verlauf der Zeit zu untersuchen. Die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie können dank dieser neuen Methode ebenfalls bestimmt werden, wobei Wasserstoff von besonderem Interesse ist. Es können aber auch eine verbesserte GPS-Technologie, also Satelliten basierte Navigationssysteme, sowie extrem genaue Uhren entwickelt werden. Die Jury rechnet sogar mit der Einführung einer neuen optischen Standarduhr. Anwendungen in der Telekommunikation sowie bei Messungen über astronomische Entfernungen sind möglich.
Glauber bekommt die andere Hälfte des Preises für Beiträge zur Quantentheorie der optischen Kohärenz.
Bundesforschungsministerin gratuliert
Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn gratulierte dem „frisch gebackenen“ Nobelpreisträger Hänsch: „Zu Ihrer Auszeichnung mit dem Nobelpreis für Physik gratuliere ich Ihnen sehr herzlich. Es freut mich, dass Ihre langjährige, herausragende Forschungstätigkeit diese höchste Anerkennung gefunden hat“, heißt es in einem Telegramm der Ministerin an den Preisträger. Die Entscheidung des Nobelpreis-Komitees sei ein Beleg dafür, dass Spitzenwissenschaftler in Deutschland erfolgreich sind.
Nur eine exzellente Grundlagenforschung sichere die Innovationen der Zukunft. „Der Name Professor Theodor W. Hänsch steht für eine leidenschaftliche Grundlagenforschung, die nah dran ist an wichtigen Anwendungen“, sagte Bulmahn. Seine Arbeiten zur laserbasierten Spektroskopie würden helfen, extrem genaue Uhren zu entwickeln und zum Beispiel die Navigationstechnik zu verbessern.
Wasserstoffatome „unter der Lupe“
Motiviert wurden die Arbeiten von Hänsch am Max-Planck-Institut in Garching bei München durch Experimente zur hoch genauen Laserspektroskopie des Wasserstoffatoms. Dieses Atom ist besonders einfach aufgebaut. Aus der präzisen Bestimmung seiner Spektrallinien lassen sich daher Schlüsse auf die Gültigkeit von Naturkonstanten ziehen – zum Beispiel, ob sie sich im Laufe der Zeit langsam ändern. Doch Ende der 1980er-Jahre hatte die Laserspektroskopie am Wasserstoff bereits eine Genauigkeit erreicht, die sich durch interferometrische Messungen optischer Wellenlängen nicht mehr steigern ließ.
Hunderttausende von scharfen Spektrallinien
Die Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik sannen daher nach neuen Methoden und entwickelten den optischen Frequenzkamm-Synthesizer – so genannt, weil er aus ursprünglich einfarbigen ultrakurzen Lichtpulsen ein Lichtspektrum erzeugt, das aus Hunderttausenden scharfer Spektrallinien mit einem festen Frequenzabstand besteht.
Ein solcher Frequenzkamm ist wie eine Art Lineal: Soll die Frequenz einer bestimmten Strahlung bestimmt werden, so vergleicht man sie mit den extrem scharfen Spektrallinien des Kamms, bis man die „passende“ findet. Für die Entwicklung dieses „Messinstruments“ erhielt Hänsch bereits 1998 den Philipp Morris Forschungspreis.
Eine der ersten Anwendungen dieser neuartigen Lichtquelle war die Bestimmung der Frequenz der sehr schmalen ultravioletten Wasserstofflinie aus dem 1S-2S-Übergang. Sie kann mittlerweile auf 15 Stellen hinter dem Komma genau angegeben werden.
Der Frequenzkamm dient heute in zahlreichen Labors weltweit als Basis für optische Frequenzmessungen. Die Firma Menlo Systems, eine Ausgründung des Garchinger Max-Planck-Instituts, liefert seit 2002 kommerzielle Frequenzkamm-Synthesizer an Laboratorien in der ganzen Welt.
(idw – MPG/Universität München/BMBF, 05.10.2005 – DLO)
