Uhrmacher
Der Nobelpreis für Physik 2005 zeichnet die Laserspektroskopie und ultragenaue Frequenzmessung von Licht aus. Beides wird auch Auswirkungen auf die Datenkommunikation haben.
- Dr. Jürgen Rink
Drei Physiker erhalten dieses Jahr den Nobelpreis. Roy J. Glauber (USA, geb. 1925) bekommt die Hälfte des Preises für seine quantentheoretische Beschreibung von Laserlicht. Die andere Hälfte teilen sich John H. Hall (USA, geb. 1934) und der Deutsche Theodor W. Hänsch (geb. 1941) für Beiträge zur laserbasierten Präzisionsspektroskopie. Das Nobel-Komitee hebt besonders den von Hänsch erfundenen Frequenzkamm hervor, der in den 90er Jahren die ultragenaue Frequenzmessung revolutioniert hat. Professor Hänsch lehrte von 1975 bis 1986 an der Universität Stanford, bevor er als Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik nach Garching bei München kam.
Eine Uhr, also ein Apparat zur Zeit- oder Frequenzmessung, misst einen periodischen Vorgang. Die Genauigkeit steigt dabei mit der Frequenz: Die Quarzuhr läuft genauer als die Pendeluhr. Hänsch gelang mit seinen Experimenten das Kunststück, die Frequenz auf etwa 1015 Hz in den Bereich von sichtbarem Licht hochzutreiben.
Das Bemühen, elektromagnetische Frequenzen immer genauer zu messen, zieht sich durch Hänschs gesamtes Forscherleben. Seine Motivation war unter anderem, den 1s-2s-Elektronenübergang von Wasserstoff (2466 THz) so genau wie möglich zu bestimmen und damit die Grenzen der Quantentheorie auszuloten. Für Wasserstoff können die Theoretiker besonders genaue Vorhersagen treffen, deshalb eignet sich das einfachste Element ganz besonders für die Präzisionsspektroskopie.
Die Schwierigkeit solcher Experimente liegt darin, eine Frequenzkette aufzubauen, um den 1s-2s-Übergang mit der genauesten Uhr, der Cäsium-Atomuhr (9,19263177 GHz), zu verknüpfen. Mehrere Doktorarbeiten und mehrere Laborräume waren bis vor wenigen Jahren für eine Frequenzkette von Mikrowellenstrahlern und Lasern notwendig, um von 9,2 GHz auf 2466 THz zu kommen.
Ein Kamm aus Licht
Das geht heutzutage mit dem Frequenzkamm von Hänsch ungleich einfacher: Die Apparatur passt auf einen Labortisch und sie ist nicht nur für den 1s-2s-Übergang, sondern universell einsetzbar. Den Kamm erzeugt ein so genannter modengekoppelter Laser mit ultrakurzen, schnell aufeinander folgenden Pulsen, die nur wenige Femtosekunden lang sind (10-12 s). Die Pulse führen zu einer Vielzahl von Moden, die zusammen einen Frequenzkamm bilden. Ein Regelkreis, der weit auseinander liegende Kammlinien misst und damit den Laser einstellt, sorgt dafür, dass die hunderttausende Pulse den gleichen Abstand haben und somit ein regelmäßiger Frequenzkamm entsteht.
Der Laser (ein Kerr-Linsen-modengekoppelter Titan:Saphir-Laser) allein reicht jedoch nicht aus, um den Frequenzkamm weit genug aufzuspannen. Hier kamen spezielle Glasfasern für die Hänsch-Gruppe gerade recht: Die Glasfaserkerne haben regelmäßig angeordnete Hohlräume längs der Faser. Sind diese geschickt gewählt, entstehen weitere Moden, sodass der Frequenzkamm das gesamte sichtbare Spektrum von Licht überdeckt.
Das Verfahren mit dem Kamm als zeitliches Lineal stellt die erste Uhr im optischen Frequenzbereich dar mit einer bis dato unerreichten Genauigkeit. Weltweit arbeiten Forschungsgruppen bereits daran, mit Hilfe des Kamms den bislang gültigen Zeitstandard, die Cäsium-Uhr, durch eine genau vermessene optische Frequenz abzulösen. Mit der Hänsch-Methode konnte eine Genauigkeit von 10-18 erreicht werden, was tausend Mal exakter ist als das Cäsium-Zeitnormal. Damit ließe sich die Zeitdifferenz zweier Uhren aufgrund der Gravitation auf der Erdoberfläche messen, von denen eine 1 cm tiefer liegt.
Gut gekämmt
Diese Genauigkeit beflügelt unter anderem die Grundlagenforschung. Einige Theoretiker glauben, dass sich Naturkonstanten wie die Feinstrukturkonstante zeitlich mit etwa 10-15 pro Jahr ändern und untermauern das mit Daten aus der Astronomie. Mit dem Frequenzkamm wäre diese winzige Änderung nun experimentell überprüfbar, was weit reichende Auswirkungen auf das Weltbild der Physik hätte.
Auch die Datenübertragung in Glasfasern profitiert vom Kamm. Mit den Moden als stabile und deutlich voneinander getrennte Trägerfrequenzen kann das in den Glasfasern mögliche Frequenzspektrum dichter besetzt werden, was zu einer höheren Datendichte führt. Die Satellitennavigation wird durch eine genauere Uhr ebenfalls verbessert. Der eben schon erwähnte messbare Zeitunterschied bei unterschiedlicher Gravitation kann beim Aufspüren von Erzlagerstätten helfen.
Die Frequenzkamm-Apparatur ist kompakt, universell einsetzbar und bezahlbar. Zahlreiche Labors weltweit nutzen sie bereits, dabei hilft Hänschs Spin-Off-Firma MenloSystems, die seit 2002 kommerzielle Frequenzkamm-Synthesizer ausliefert.
Professor Hänsch ist nicht der erste deutsche Wissenschaftler, der für Präzisionsarbeiten mit Lasern vom Nobel-Kommitee ausgezeichnet wurde. Hänsch hat während seiner Suche nach höherer Genauigkeit die Laserkühlung von Atomen und Ionen mitentwickelt, was für Experimente an Quantencomputern ein wesentlicher Bestandteil ist. Laserkühlung war auch unverzichtbar für die Realisierung der vor Jahrzehnten vorausgesagten Bose-Einstein-Kondensation, für die unter anderem Wolfgang Ketterle 2001 den Nobelpreis erhielt - und viele der Laserkühlexperimente wurden in einer Ionenfalle durchgeführt, die Wolfgang Paul in Bonn erfunden hatte. Er bekam dafür 1989 den Nobelpreis. (jr)
