Der Innovationspreis bekommt Zuwachs: Berthold Leibinger Zukunftspreis erstmals verliehen

Die Gewinner des Berthold Leibinger Innovationspreises ehrte die Stiftung ebenfalls. An erster Stelle platziert hatten sich Dr. Karin und Raimund Schütze, die Gründer der P.A.L.M. GmbH in Bernried, mit ihrem kompakten Mikrowerkzeug zur Gewinnung einzelner Zellen mittels Laser. Die P.A.L.M. Microlaser Technologies GmbH gehört seit Ende 2004 der Carl Zeiss Gruppe an. Für die SPIDER Messmethode zur Charakterisierung ultra-kurzer Laserpulse nahm Professor Dr. Ian A. Walmsley von der Oxford-University den zweiten Preis entgegen. Der dritte Preis ging an Dr. Michael Mei und Dr. Ronald Holzwarth von der Menlo Systems GmbH aus Martinsried für die Entwicklung kompakter Lasersysteme mit optischer Frequenzkammtechnologie.

Über 250 geladene Gäste aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft bekamen beim Festakt in Ditzingen einen Einblick in die beeindruckenden Arbeiten der Preisträger. Acatech-Präsident Professor Dr.-Ing. Joachim Milberg griff in seiner Festrede das Thema „Innovation braucht Klimawechsel“ auf. Neben filmischen Kurzbeiträgen über die Preisträger und ihr Arbeitsumfeld hatte der Film „Lichtgestalten“ Premiere. In über zehn Minuten beleuchtete er die einzigartige Bedeutung des Lichts für den Menschen. Er beschrieb die frühen Entdeckungen der alten Griechen, Erkenntnisse der letzten Jahrhunderte und gab einen Ausblick in die Zukunft.

1. Preis: Mit „Lasermikrostrahl“ und „Laserkatapult“ einzelne Zellen fest im Griff

Heute gehören die laserbasierten Werkzeuge des Bernrieder Unternehmens P.A.L.M. Microlaser Technologies GmbH weltweit zur Grundausstattung von Forschern, die sich mit Krebsforschung, Genom- oder Proteom-Projekten beschäftigen. Als die Biophysikerin Dr. Karin Schütze vor Jahren an ihren Forschungsarbeiten saß, musste sie dies mit Geräten bestreiten, die ihr dringend verbesserungswürdig schienen. Also widmete sie sich fortan zusammen mit ihrem Mann Raimund Schütze der Entwicklung von hochpräzisen und zugleich einfach zu handhabenden Mikrowerkzeugen: Mit „Laserpinzette“, „Lasermikrostrahl“ und „Laserkatapult“ können einzelne Zellen bewegt, festgehalten, abgetrennt oder gewonnen werden, um weitere Untersuchungen damit durchzuführen. Gerade einmal 20 Jahre ist es her, dass Wissenschaftler am Heidelberger Institut für Physikalische Chemie mit einem Lasermikrostrahlsystem erste Zellchirurgie- und Zellfusionsexperimente durchführten. Um im Mikrometerbereich zu arbeiten, waren damals raumfüllende Systeme notwendig: Schwierig zu bedienen und weit von der heutigen Zuverlässigkeit und Präzision entfernt. Dass entsprechende Versuchseinrichtungen jetzt auf einem Labortisch Platz haben, ist im Wesentlichen der unternehmerischen Entwicklungsarbeit der Biologin Dr. Karin Schütze und dem gelernten Goldschmied Raimund Schütze – der zudem einige Semester Physik und Elektrotechnik studiert hat – zu verdanken. In die Geheimnisse der Laserpinzette weihte deren Erfinder, der Physiker Art Ashkin, Karin Schütze 1990 während ihres Studienaufenthalts im kalifornischen Berkeley, USA, persönlich ein. Mit dem fokussierten Licht der Laserpinzette lassen sich kleinste Partikel, Spermien oder einzelne Zellen wie von Geisterhand in Flüssigkeit festhalten und auf dem Objektträger bewegen. Der Lasermikrostrahl ermöglicht es, Gewebe im Mikroskop berührungslos zu schneiden und einzelne Zellen gezielt vom Nachbargewebe abzutrennen. Gerichtet auf die Unterseite der Probe kann der Lichtpuls des Lasers zusätzlich einzelne Zellen aus der Ebene in ein Auffanggefäß herauskatapultieren. Selbst lebende Stammzellen nehmen dabei keinen Schaden. Das Ziel war nun, noch leistungsfähigere Lasermikrowerkzeuge als die vorhandenen für die berührungslose Mikromanipulation zu bauen. Eine Innovation ergab die nächste. Mit einem engagierten Team von Mitarbeitern setzten sie neue Ideen um und vermarkteten sie international. Aus manuell bedienten experimentellen Aufbauten wurden automatisierte und einfach zu kalibrierende Laborgeräte. Mit dem berührungslosen Katapultieren von Zellmaterial mittels Laserstrahl nutzten die Schützes ein physikalisches Phänomen, das bis heute nicht vollständig beschrieben ist. Alleine die Entwicklung von einer „Garagenfirma“ zum inzwischen mehrfach ausgezeichneten Unternehmen von Weltgeltung – seit Ende 2004 eine Tochter der Carl Zeiss MicroImaging GmbH – ist preiswürdig. Ausschlaggebend für die Juroren des Berthold Leibinger Innovationspreises war aber die vollständige Umsetzung einer guten Idee zum Produkt und dessen gelungene Vermarktung. Die einzigartige Weise, mit Hilfe eines Lasers Proben ohne Kontamination zu bearbeiten und zu gewinnen, hat in vielen Bereichen zu neuen Forschungsansätzen und in der Folge zu neuen Erkenntnissen geführt. Nachdem das Prinzip des PALM MicroBeam vor allem in der Krebs- und Genforschung etabliert ist, hält das Werkzeug auch in anderen Bereichen Einzug: In der Funktionellen Genom- und Proteom-Forschung gewinnt die berührungslose Technik ebenso an Bedeutung wie in der Stammzellenforschung und in der Botanik oder Forensik.

2. Preis: Eine „Spinne“ für ultra-kurze Pulse

Einer der großen Fortschritte in der Laser-Physik der letzten 30 Jahren ist die Fähigkeit, sehr kurze Lichtpulse zu erzeugen. Ungeklärt war jedoch lange, wie die einzelnen Pulse genau aussehen. Die von Professor Ian Walmsley entwickelte SPIDER Messmethode beschreibt die sehr kurzen Femto- und Pikosekundenpulse. In einer Femtosekunde – der milliardste Teil einer millionstel Sekunde – legt Licht einen Weg von weniger als einem tausendstel Millimeter zurück. Und in diesem unvorstellbar kurzen Moment erfasst Walmsleys Erfindung von dem Lichtblitz sämtliche Informationen, die man braucht, um mit ihm arbeiten zu können. SPIDER steht für „spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction“ und beschreibt eine Methode zur vollständigen Messung ultrakurzer Pulse. Die bis zur Entwicklung dieser Technik üblichen Methoden basierten alle auf der Autokorrelations-Technik. Walmsleys Verfahren hingegen nutzt die Spektralinterferometrie. Die ersten Experimente zur Messung von Pulslängen haben Wissenschaftler bereits in den frühen 70er Jahren durchgeführt. Doch erst Professor Walmsleys Arbeiten legten die Grundlagen für diese Messtechnik und verhalfen der Spektralinterferometrie zur Pulscharakterisierung zum Durchbruch. Ihm gelang es, den für die Spektralinterferometrie notwendigen präzise charakterisierten Referenzpuls wiederholbar darzustellen und mit SPIDER ein vollkommen neues Verfahren technisch zu realisieren und wirtschaftlich umzusetzen. Heute nutzen die Unternehmen APE in Berlin und DelMar Photonics in San Diego, Kalifornien, USA die patentierte Technik in Lizenz. Der Erfolg dieser Unternehmen mit SPIDER beruht nicht zuletzt darauf, dass es Walmsley bei der Realisierung von SPIDER gelungen ist, eine Messtechnik für „unvorstellbar“ kurze Pulse in ein einfach zu bedienendes, robustes und wiederholgenaues Verfahren umzusetzen. Anwendung findet das Verfahren vor allem dort, wo mit Hilfe der Pulse im Femtosekundenbereich ultraschnelle Prozesse untersucht werden. Zu solchen Applikationen gehören beispielsweise kohärente Anregungen von Halbleitern, das Verhalten von Supraleitern oder zahlreiche chemische und physikalische Elementarprozesse. Doch nicht nur in der Forschung, auch in der Telekommunikation und für mikroskopische Untersuchungen biologischer Proben gibt es interessante Anwendungen. Die dabei erzielbaren Effekte sind mit den niedrigeren Leistungen längerer Pulse nicht realisierbar. Die Eigenschaften der ultrakurzen Pulse müssen jedoch sehr genau bestimmt werden. SPIDER liefert die Phaseninformationen der Laserpulse, um sie vollständig zu beschreiben. Bei Pulsen mit sehr hoher Intensität kann zur Messung ein Teilstrahl ausgekoppelt und so ebenfalls vermessen werden. SPIDER hat ganz entscheidend den Teilbereich der Ultrakurzzeitphysik „revolutioniert“, das Verständnis für die entsprechenden Techniken verbessert und nicht zuletzt verbesserte Laserstrahlquellen ermöglicht.

3. Preis: Kompakter Lichtzähler

Mit Licht präzise zu messen ist heute Standard. Bis vor kurzem aber gab es kein praxistaugliches Gerät, um die sehr hohe Frequenz des Lichtes selbst zu messen. Denn Licht schwingt extrem schnell. Erst die Frequenzkamm-Technologie brachte den Durchbruch. Dr. Michael Mei und Dr. Ronald Holzwarth haben diese einfache und sehr präzise Messmethode mitentwickelt. Und die jungen Wissenschaftler setzten mit der Menlo Systems GmbH, einer Unternehmensausgründung aus dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik, die Technologie erfolgreich in ein marktreifes Produkt um: Ein Faserlasergerät, das eine sehr präzise Vermessung von Zeit, Entfernungen und Lichtspektren erlaubt. Mit dem Frequenzkamm lassen sich die Schwingungen von Licht hochpräzise zählen und vermessen – auf inzwischen 15 Dezimalstellen genau. Fünf Größenordnungen weniger schafften die bisherigen Methoden. Die Erfindung ist eng verbunden mit dem Nobelpreis für Physik. 2005 haben Professor Theodor W. Hänsch und Professor John L. Hall diese höchste wissenschaftliche Auszeichnung für die Entwicklung laserbasierter Präzisionsspektroskopie erhalten. Dazu gehört der optische Frequenzkamm. Dr. Michael Mei und Dr. Ronald Holzwarth erkannten frühzeitig die Tragweite der Innovation. Mit Mut zum Risiko gründeten sie 2001 die Menlo Systems GmbH in Martinsried und haben die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung zügig zu einem erfolgreichen Produkt weiterentwickelt. Ein wesentlicher Aspekt dabei war, aus raumfüllenden Laborinstallationen handliche Geräte zu machen. Mei und Holzwarth haben dies mit Hilfe der Faserlasertechnologie geschafft. Sie integrierten frequenzstabilisierte Ultrakurzpulslaser und optische Elemente in ein kompaktes Gerät, das weißes Laserlicht als Mischung aus sehr vielen exakt definierten Frequenzen erzeugt – dem Frequenzkamm. Heute steht Anwendern ein tragbares, vollautomatisches und anwendungsfreundliches Lasergerät zur Verfügung, mit dem sich die Frequenz von sichtbarem Licht extrem genau messen lässt. Parallel verfolgen die beiden Wissenschaftler den Transfer der Technologie auf andere Lasersysteme und Wellenlängenbereiche. Die Faserlasersysteme von Menlo Systems finden vielfältige Einsatzbereiche in Wissenschaft und Industrie, bei denen der Frequenzkamm bessere Messleistungen ermöglicht oder Anwendungen komfortabler und genauer macht. Mit Systemen von Menlo Systems kalibrieren nationale Eichinstitute ihre hochgenauen Lasereinrichtungen. Optische Atomuhren lassen sich damit realisieren, die um drei Größenordnungen oder mehr genauer sind als die bislang genauesten Cäsium-Atomuhren. Die kompakten Lichtzähler könnten damit in der Satellitennavigation präzisere Ortsbestimmungen ermöglichen, denn die Zeitgenauigkeit bestimmt hier die mögliche Ortsauflösung. Und schließlich ist ein Einsatz in der hochpräzisen Spektroskopie beispielsweise biologischer Substanzen denkbar.

Zukunftspreis:

Die experimentellen und theoretischen Arbeiten von Professor Dr. H. Jeffrey Kimble in der Quanten-Elektrodynamik haben eine wesentliche Grundlage für die Quanten-Informationstechnologie geschaffen. Diese gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Im Zusammenspiel mit der Mikro- und Nanotechnologie entstehen hier leistungsfähige technologische Möglichkeiten, welche die Informationstechnik – Stichwort Quanten-Computer und Quanten-Internet – revolutionieren können. Professor Kimble erhält den Zukunftspreis 2006 für seine bahnbrechenden Experimente auf dem Gebiet der Resonator-Quanten-Elektrodynamik. Zeit seines Forscherlebens hat sich Professor Kimble mit der schwachen Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen und Photonen beschäftigt. Die auftretenden Phänomene aus nichtlinearen Interaktionen zwischen einem Atom und einzelnen Licht-Teilchen (den Photonen) galten lange als Spielzeug der Theoretiker. Kimbles unschätzbare Leistung besteht darin, zahlreiche dieser Phänomene experimentell nachgewiesen und physikalische Grundlagen in wissenschaftliche Instrumente zur Schaffung neuer Technologien umgewandelt zu haben. Beim Wechsel des Schwerpunkts seiner Arbeit von der reinen Quantenmechanik hin zur zweiten „Quanten-Revolution“ stellte Kimble immer wieder die Frage: Wie lassen sich Quanten-Phänomene für neue wissenschaftliche und technische Anwendungen nutzen? Kaum ein Wissenschaftler hat mehr für die Umsetzung abstrakter theoretischer Ideen in Experimente mit greifbar nahen Anwendungen für zukünftige Technologien getan, als Jeffrey Kimble. Professor Kimbles Forschung bewegt sich an der Spitze einer Revolution, die seit einem Jahrzehnt mit der Schaffung neuer, nichtlinearer Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen und Lichtquanten (Photonen) die Forschungswelt verändert. Ein besonderes Merkmal dieser Arbeiten war die Realisierung vollkommen neuer Fähigkeiten in der Quantenwelt. Diese katapultierten die Optik-Wissenschaft in ein bis dahin unerforschtes Gebiet grundlegender Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Professor Kimbles Beitrag zu dieser Revolution liegt das jahrzehntelange Bestreben nach der Realisierung der starken Kopplung zu Grunde – mit einem fast esoterischen Aufbau, dem der Resonator-Quanten-Elektrodynamik (QED). Den Kern des experimentellen Aufbaus der Resonator-QED bildet eine Präzisions-Mikro-Kavität mit Mikrometerabstand, in welchem ein einzelnes Photon und ein einzelnes Atom gefangen sind. Ein wesentlicher Meilenstein seiner Arbeit war 1995 die Demonstration eines Quantenphasengatters für zwei Lichtstrahlen. Grob gesagt, schuf er mit seinen Kollegen einen Quanten-Transistor mit einzelnen Photonen. Dieser verfügt über Eigenschaften, die für die Quantenlogik und womöglich eines Tages für den Bau von Quantencomputern geeignet sind. Vor kurzem entwickelten Kimble und seine Kollegen einen Laser mit nur einem Atom, das ein Photon nach dem anderen aussendet.

Auswahlverfahren für Innovationspreis

Aus über 30 Bewerbungen und Vorschlägen aus neun Ländern wählte die Jury acht Arbeiten für die Endrunde des Berthold Leibinger Innovationspreises aus. Die Nominierten hatten bei der Jury-Sitzung im März die Möglichkeit, die Juroren persönlich von ihren Innovationen zu überzeugen. Nominiert waren neben den Preisträgern:

Dr. Olivier Acher, Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA), Le Ripault, Monts, Frankreich, mit „Laserbasierter Schneidprozess für Tintenstrahldrucker“

Dr. Ralf Brinkmann, Dipl.-Phys. Jochen Kandulla und Dr. Georg Schüle, Universität zu Lübeck, mit „Temperaturbestimmung bei Laserbehandlungen an der Retina“

Dr. Steffen Noehte und Dipl.-Phys. Matthias Gerspach, tesa scribos GmbH, Heidelberg, mit „Holographischer Polymerspeicher als Sicherheitslabel“

Projektgruppe Technologieentwicklung Lasertechnik der Audi AG, Neckarsulm, mit „Lasereinsatz im Aluminiumkarosseriebau“

Zielsetzung

Der international ausgeschriebene und mit insgesamt 35.000 € dotierte Berthold Leibinger Innovationspreis würdigt und fördert Wissenschaftler und Entwickler, die bei der Anwendung des Laserlichtes neue Wege gehen. Zukunftsweisende Meilensteine in der Forschung zum Einsatz oder zur Erzeugung von Laserlicht ehrt der 2006 erstmals verliehene Berthold Leibinger Zukunftspreis. Dessen Preisgeld beträgt 20.000 €.

Mit den alle zwei Jahre vergebenen Preisen verfolgt die Berthold Leibinger Stiftung das Ziel, die Lasertechnik – eine der wichtigsten Technologien unserer Zeit – zu fördern und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.