Wofür der Österreicher Ferenc Krausz den Nobelpreis bekommen hat

Viele werden sich aus dem Physikunterricht in der Schule noch an den Aufbau von Atomen erinnern. In der Mitte sitzt der Kern aus Protonen und Neutronen, außen herum flitzen die Elektronen. Ihre Bewegungen sind unvorstellbar schnell. Man konnte sie lange Zeit nicht annähernd beobachten. Ein Elektron kann seine Position innerhalb weniger Attosekunden verändern. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde.

Ein kleiner Vergleich, um sich das besser vorstellen zu können. Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde genauso, wie eine Sekunde zur gesamten Zeit, die seit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren vergangen ist.

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Hilfreiche Schwingungen

Mit den kürzesten Laserpulsen, die die Menschheit produzieren kann, kann man quasi Bilder eines Atoms im Bereich von Femtosekunden schießen – ein Millionstel einer Milliardstelsekunde. Elektronen sieht man auf solchen Aufnahmen nur sehr verschwommen. Anne L’Huillier entdeckte Anfang der 90er-Jahre mit Kolleginnen und Kollegen aber einen Trick, um noch kürzere Laserpulse zu erhalten. Schießt man Infrarotlaser auf Edelgase, entstehen verschiedene Oberschwingungen. Sie unterteilen die Wellenform von Laserstrahlen quasi in noch kleinere Wellen.

Überlagern sich diese kleineren Wellen, entstehen in regelmäßigen Abständen kleine Signalausschläge, die nur wenige Attosekunden lang andauern. Bei diesen Signalausschlägen verlassen Elektronen kurz ihre ursprüngliche Bahn um den Atomkern, nehmen Energie vom Laserlicht auf, kehren wieder zu ihrem Atomkern zurück und geben die aufgenommene Energie in Form eines kurzen Aufblitzens von Licht im ultravioletten Spektrum ab.

Pierre Agostini und Ferenc Krausz nutzten dieses Prinzip in ihren jeweiligen Forschungsgruppen in Frankreich und Österreich, um Bilder von Elektronen im Abstand von wenigen hundert Attosekunden aufzunehmen. Auf diese Art können Veränderungen in Atomen genauer denn je analysiert werden.

Elektronik und Medizin

Man kann etwa beobachten, wie elektrische Ladungen transportiert werden. Das wiederum kann dazu führen, dass man Prozesse in der Elektronik oder in der Medizin besser versteht. Krausz zieht die Möglichkeit in Betracht, dass man etwa die Arbeitsgeschwindigkeit von Prozessoren dadurch erhöhen könnte. Während bei der Miniaturisierung von Komponenten Grenzen erreicht seien, könne man die Leistung von Computerchips durch ein rascheres Ein- und Ausschalten von Strom um ein Vielfaches erhöhen.

Durch die Attosekundenphysik kann man außerdem Erkenntnisse von Größen der theoretischen Physik, wie Albert Einstein oder Werner Heisenberg, prüfen. Auch sie konnten über Vorgänge in der Welt der Elektronen nur Annahmen treffen und sich nicht vorstellen, dass vermeintlich fixe Grenzen bei der Beobachtungsfähigkeit eines Tages gesprengt werden.

"Wir können nun die Türen zur Welt der Elektronen öffnen", sagt Eva Olsson, die Vorsitzende des Komitees, das den Physik-Nobelpreis 2023 an Anne L'Huillier, Pierre Agostini und Ferenc Krausz verliehen hat. "Die Attosekundenphysik gibt uns die Möglichkeit, Mechanismen zu verstehen, die von Elektronen beherrscht werden. Der nächste Schritt wird sein, sie zu nutzen."