Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit dem optischen Frequenzkamm im Takt des Lichts - Nobelpreis für Physik 2005 an Theodor W. Hänsch

06.10.2005


Vor genau 100 Jahren begründete Albert Einstein die Quantenoptik. Jetzt wurde drei Wissenschaftlern von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften der Nobelpreis für Physik verliehen, die die Quantenoptik revolutioniert haben. Ihre Forschung ermöglicht den Weg zu neuen und verbesserten Anwendungen von optischen Uhren bis zur Satellitennavigation. Theodor Hänsch, Professor für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, ist einer der Preisträger. Er erhält die Auszeichnung für die Entwicklung des Frequenzkamms, mit dessen Hilfe Lichtfrequenzen extrem genau gemessen werden können. Hänsch teilt sich eine Hälfte des Preises mit John L. Hall von der University of Colorado. Die zweite Hälfte des Preises geht an Roy Glauber, Harvard University, dessen Arbeit die theoretische Grundlage für die Forschung von Hall und Hänsch lieferte.



Als Wissenschaftler hat sich Theodor Hänsch ultrapräzisen Messungen verschrieben. Trotzdem geht die von ihm entwickelte optische Atomuhr nicht ganz genau. Um immerhin fünf Minuten hätte sie sich jetzt schon verstellt - wäre sie denn vor etwa zehn Milliarden Jahren zeitgleich mit der Erde entstanden. Dabei ist eine neue Standarduhr nur eine der möglichen Anwendungen, die sich aus Hänschs Forschung ergeben. Die Farbe des Lichts möchte der Physiker so genau wie möglich messen können und hat es dabei sehr viel weiter geschafft als jeder andere. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die durch ihre Frequenz und Wellenlänge charakterisiert sind. Die verschiedenen Wellenlängen werden als Farben wahrgenommen. Liegen sie im Bereich zwischen 400 und 800 Nanometer - also Millionstel Millimeter - gehören sie zum sichtbaren Spektrum des Lichts. Die längsten sichtbaren Wellenlängen erscheinen rot, jenseits davon fallen sie in den infraroten Bereich. Die kürzesten sichtbaren Wellenlängen erscheinen blau, noch kürzere gehören in den ultravioletten Bereich.



Die höchsten elektronischen Frequenzen, die technisch verwendet werden, liegen bei etwa einem bis zehn Gigaherz. Sie werden beispielsweise für das Satellitenfernsehen oder modernere PCs eingesetzt. Die Frequenzen des sichtbaren Lichts sind aber sehr viel größer und können elektronisch nicht gemessen werden. In der Vergangenheit wurden deshalb nicht die optischen Frequenzen, sondern die Wellenlänge des Lichts gemessen. Die so genannte Spektroskopie ist die Bestimmung der Wellenlängen des Lichts, das von Atomen ausgesandt wird. Diesen Informationen ist ein Großteil des Wissens über die Physik der Atome zu verdanken. Daraus entwickelte Theorien, etwa die Quantenmechanik, können aber nur getestet werden, wenn sehr viel genauere Messungen vorliegen. Denn diese Theorien erlauben auch sehr genaue Berechnungen. In der Tat hat man in der Quantenmechanik noch keine signifikante Abweichung vom Experiment feststellen können - obwohl sich die Messgenauigkeit in den letzten Jahrzehnten drastisch gesteigert hat.

Extrem genau lässt sich bislang aber nur die Zeit messen. Alle anderen physikalischen Größen können nur sehr viel weniger präzise bestimmt werden. Höchste Genauigkeit lässt sich also nur erreichen, wenn Zeit der zu bestimmende Faktor ist. Das wiederum gelingt mit einer Frequenzmessung, also der Bestimmung der Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Im Idealfall entspricht eine Frequenzmessung einer Uhr, die anzeigt, wann die Sekunde vorüber ist. Dazu allerdings darf die Anzahl der Schwingungen nicht zu groß sein. Mit einem Frequenzkamm, für dessen Entwicklung Hänsch den Nobelpreis erhält, lässt sich diese Messung auf einfachste Weise realisieren: Der Frequenzkamm entspricht dem Zählwerk einer "normalen" Uhr.

Ob Sonnenuhr, Sanduhr, Pendeluhr, Quarzuhr oder Cäsium-Atomuhr: Eine Uhr besteht immer aus zwei Komponenten, dem möglichst gleichmäßig schwingenden Oszillator, und einem Zähler, der diese Schwingungen mitzählt und nach einer gewissen Anzahl Schwingungen etwa den Sekundenzeiger um eine Einheit weiterbewegt. Bei Uhren mit sehr langsamen Oszillatoren, etwa der Sonnenuhr mit einer Schwingung pro Tag, kann der Mensch mitzählen. Bei Pendeluhren ist ein Zählwerk nötig, um eine praktisch verwendbare Uhr zu haben. Bei einer Quarzuhr oder einer Cäsium-Atomuhr braucht man sogar ein elektronisches Zählwerk: Die 9.192.631.779 Schwingungen der Cäsiumatome pro Sekunde sind sogar die offizielle Definition der Länge dieser Zeiteinheit.

Je schneller das Pendel schwingt, desto genauer geht die jeweilige Uhr. Eine noch sehr viel präzisere Uhr könnte also mit Hilfe eines "optischen" Pendels gebaut werden. Dafür kommt ein Atom in Frage, das eine genau definierte optische Welle, also Licht, aussendet. Ein derartiges Pendel zu entwickeln, war eine vergleichsweise geringe technische Herausforderung. Probleme bereitete dagegen das Uhrwerk, das schließlich derart schnelle Schwingungen messen können muss. Der Frequenzkamm, dessen theoretische Grundlagen Hänsch in den späten 1970er Jahren entwickelte, war die Lösung. Diese Technik erfordert einen Laser, der ultrakurze Lichtpulse auf gleichbleibender Wellenlänge aussendet.

Im Labor von Hänsch wird für den optischen Frequenzkamm ein Titan:Saphir-Pulslaser verwendet, dessen kurze Lichtpulse zwischen Umlenkspiegeln zirkulieren. Energieverluste aufgrund der nicht ganz perfekten Reflexion können durch einen optischen Verstärker ausgeglichen werden. Dieser Aufbau erlaubt, denselben Lichtpuls auch tagelang in der Spiegelanordnung umlaufen zu lassen. Am Ausgang des Lasers erhält man eine Kopie des Lichtpulses nach jedem Umlauf, einmal pro Nanosekunde. Mit Hilfe eines von Hänsch und seinen Mitarbeitern entwickelten Tricks lässt sich die Pulsrate so einstellen, dass auf genau eine Million Zyklen eines sehr schnell oszillierenden Einfarbenlasers genau ein Puls fällt. Um die Frequenz des Einfarbenlasers zu messen, müssen die Wissenschaftler dann nur die Pulsrate bestimmen, was sehr leicht ist, weil sie bei etwa einem Gigaherz liegt. Das Ergebnis wird dann nur noch mit einer Million multipliziert. Die Bezeichnung "Frequenzkamm" stammt von der Ähnlichkeit des Spektrums eines Pulslasers mit einem gewöhnlichen Kamm.

Ein Bereich der Anwendung ergibt sich etwa bei Konstanten der Natur, deren Stabilität im Verlauf der Zeit untersucht werden kann. Auch die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie können dank der Methode bestimmt werden. Aber auch sehr viele alltagstaugliche Umsetzungen gibt es. Derart genaue Atomuhren werden etwa bei der Synchronisation von Datennetzen gebraucht. Wenn man zum Beispiel ein Fax versendet, kommt unter Umständen eine Atomuhr zum Einsatz. Eine weitere Anwendung aus dem Alltag ist die Satellitennavigation im Auto oder im Flugzeug. Mit den genaueren optischen Uhren werden sich möglicherweise aber auch neue Anwendungen ergeben. Ein Beispiel ist das Aufspüren von Erzlagerstätten. Deren Gravitation verursacht eine winzige Änderung des Verlaufs der Zeit, den Hänsch und sein Team nachweisen können. Ursprünglich haben sie diese Technik an ihrem Institut aber für die Grundlagenforschung entwickelt. Auf diesem Weg ist es dann gelungen, die präzisen Voraussagen der Quantenmechanik anhand des Wasserstoffatoms auf insgesamt 14 Dezimalstellen zu überprüfen.

Professor Theodor W. Hänsch ist am 30. Oktober 1941 in Heidelberg geboren. An der Universität Heidelberg studierte er von 1963 bis 1970 Physik und promovierte dort auch. Die nachfolgenden sechzehn Jahre verbrachte er als Postdoc, Associate Professor und Full Professor an der US-amerikanischen Stanford University in Kalifornien. 1986 kehrte Hänsch nach Deutschland zurück und übernahm den Lehrstuhl für Experimentalphysik und Laserspektroskopie an der LMU. Er ist außerdem Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching. Hänsch wurde mit zahlreichen hohen staatlichen und wissenschaftlichen Auszeichnungen gewürdigt. Er erhielt unter anderem den Philip Morris-Forschungspreis und mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft die höchste wissenschaftliche Auszeichnung in Deutschland. In diesem Jahr wurde Hänsch die höchste Auszeichnung der "Optical Society of America (OSA)", die Frederic Ives Medal, verliehen. Den Preisträgern wird damit die höchste Ebene wissenschaftlicher Leistung auf ihrem Gebiet bestätigt. Hänsch erhielt auch den Otto Hahn-Preis für Chemie und Physik der Gesellschaft Deutscher Chemiker, der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der Stadt Frankfurt am Main. Er ist damit der erste Preisträger des nunmehr aus den beiden Otto-Hahn-Preisen fusionierten Preises für wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Physik oder Chemie. Der Preis ist mit 50.000 Euro dotiert und wird am 29. November 2005 in der Frankfurter Paulskirche verliehen. Professor Hänsch ist Träger des Verdienstkreuzes 1. Klasse des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland und des Bayerischen Maximiliansordens für Wissenschaft und Kunst.

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Frequenzkamm Nobelpreis Physik Quantenoptik Wellenlänge

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Zukünftige Informationstechnologien: Wärmetransport auf der Nanoskala unter die Lupe genommen
21.08.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Superauflösende Mikroskopie - Neue Markierungssonden im Nanomaßstab
21.08.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Zukünftige Informationstechnologien: Wärmetransport auf der Nanoskala unter die Lupe genommen

21.08.2018 | Physik Astronomie

Bedeutung des „Ozeanwetters“ für Ökosysteme

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Auf dem Weg zur personalisierten Medizin

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics