L e u c h t e n d e s W e r k z e u g f ü r d a s 2 1. J a h r h u n d e r t

Transkript

1 EINSICHTEN 2008 N E W S L E T T E R 0 1 i n t e r d i s z i p l i n ä r e e i n s i c h t e n Thorsten Naeser L e u c h t e n d e s W e r k z e u g f ü r d a s 2 1. J a h r h u n d e r t Licht birgt ein fast unerschöpfliches Potential und die Physik versteht immer besser, es zu kontrollieren. Rund um München haben sich Physiker, Mediziner, Chemiker und Biologen der Universitäten und Forschungseinrichtungen im Exzellenzcluster Munich Centre for Advanced Photonics (MAP) zusammengeschlossen, um die nächste Generation Laser mit noch mehr Möglichkeiten zu entwickeln. Im Jahr 1951 charakterisierte Albert Einstein seine Beziehung zum Licht auf die für ihn so unverwechselbare Art: Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage,Was sind Lichtquanten? nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich. Die Erkenntnis des berühmten Nobelpreisrägers hat noch immer Gültigkeit. Doch trotz mancher ungeklärten Eigenschaft entwickelt sich Licht heute rasant zum Werkzeug des 21. Jahrhunderts. Möglich machte dies die Erfindung des Lasers im Jahr Heute werden Laser sehr flexibel in der Forschung eingesetzt. Die Wissenschaftler erzeugen Licht über einen weiten Wellenlängenbereich. Das beginnt mit Röntgenstrahlung von wenigen Nanometern (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter), führt über ultraviolettes und sichtbares Licht (380 bis 700 Nanometer), bis hin zum Infrarotbereich (über 700 Nanometer). Dazu ist es möglich, ultrakurze Lichtblitze zu erzeugen. So gewinnen die Wissenschaftler neue und detaillierte Einblicke in den Mikrokosmos von belebter und unbelebter Materie. Im Umgang mit Licht haben sich rund um München zahlreiche Forschergruppen einen Namen gemacht. Die Erben Einsteins beschäftigen sich u.a. mit der Kontrolle des Lichts. Sie erzeugen ultrakurze Lichtblitze, tauchen ab in den Kosmos der Quanten und untersuchen mit Photonen winzige Teilchen, wie Elektronen oder Atome. Um das Wissen über Licht und Strahlung gemeinsam zu vermehren und für neue Anwendungen zu nutzen, haben sich mehr als 100 Wissenschaftler in dem Exzellenzcluster Munich Centre for Advanced Photonics (MAP) zusammengeschlossen. Gefördert wird MAP von der Exzellenzinitiative des Bundes bis 2011 mit gut 36 Millionen Euro. Beteiligt sind neben der LMU als Sprecheruniversität auch die TU München, die Max-Planck-Institute für Quantenoptik, Plasma- 0

2 physik, Biochemie, Astrophysik und Extraterrestrische Physik, die Bundeswehruniversität in Neubiberg, die Universität Mainz, die Stanford Universität (USA) und zahlreiche weitere Institute als Kooperationspartner weltweit. Wirtschaftspartner ist Siemens Healthcare. Schon heute können die Physiker mit Licht erstaunliche Dinge anstellen. So erzeugt das Team um Professor Ferenc Krausz, Lehrstuhl für Experimentelle Physik Quantenoptik an der LMU und Leiter des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, Lichtblitze im extrem Ultravioletten, die nur wenige zehn Attosekunden dauern. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Den Forschern gelingt dies durch den Einsatz von aus wenigen Wellenzügen bestehenden infraroten Laserpulsen mit präzise kontrollierter Wellenform. Mit diesen Lichtblitzen gewinnen die Forscher erstmals direkte Einblicke in die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen. Elektronen spielen bei fast allen biologischen und chemischen Prozessen eine wichtige Rolle, auch in der Elektronik sind sie unentbehrlich, erklärt Ferenc Krausz. Die Elektronenbewegungen in atomaren Strukturen dauern nur wenige Attosekunden. Mit unseren Lichtpulsen machen wir diese sichtbar und loten die Grenzen der Elektronik aus, ergänzt der ungarische Physiker. Ähnlich wie bei der Fotografie werden die Bilder aus dem Mikrokosmos immer schärfer, je kürzer man die Lichtpulse setzt. Zudem wollen die Physiker, mit dem elektrischen Feld des Laserlichts Elektronenbewegungen in komplexen Molekülen und Nanostrukturen kontrollieren. Zähmung des Laserlichts An der Kontrolle über das Licht zur Erzeugung der Attosekundenpulse hat auch Krausz Kollege, Professor Theodor Hänsch, seinen Anteil. Bei der Zähmung des Laserlichts spielt seine Frequenzkammtechnik eine zentrale Rolle, sagt Ferenc Krausz. Der berühmte Quantenoptiker schaffte es, das aus vielen Farben bestehende sichtbare Licht mit einem Frequenzkamm kontrolliert zu erzeugen und die Wellenlänge genau zu bestimmen. Dafür erhielt er den Nobelpreis. Mit Hilfe des Frequenzkamms ist Ferenc Krausz und seinen Mitarbeitern die Kontrolle über das elektrische Feld von intensivem Laserlicht gelungen, die den Schlüssel für die Attosekundenpulse bildet. Jetzt will man den Frequenzkamm im extremen Ultraviolettlicht anwenden. In diesem Bereich betreten wir echtes Neuland, sagt Theodor Hänsch. Während man mit Attosekundenblitzen vor allem Elektronenbewegungen im Mikrokosmos erforschen will, fällt den etwas längeren Laserpulsen, die einige Femtosekunden dauern, eine andere wichtige Aufgabe zu (eine Femtosekunde ist 1000 Mal länger als eine Attosekunde). Sind diese Infrarot-Laserpulse genügend intensiv, dann können sie Atome nicht nur in Elektronen und Ionen zerlegen, sondern die Teilchen anschließend auch fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Die schnellen Elektronen wiederum können für die Erzeugung gerichteter Röntgenstrahlung eingesetzt werden. Besonderes Merkmal der hochenergetischen Ionen- und Röntgenstrahlen ist die hohe Brillianz. Von hoher Brillianz sprechen die Physiker, wenn extrem viele Teilchen aus einer kleinen Quelle stark gebündelt austreten und sich in nahezu exakt dieselbe Richtung bewegen. Die Erzeugung brillianter Teilchen- und Röntgenstrahlen mittels Licht wird die Laserwissenschaften revolutionieren, ist Ferenc Krausz überzeugt. 02

3 Stefan Becker vom Lehrstuhl für experimentelle Physik arbeitet am Undulator. Ebenso wie Ferenc Krausz interessiert sich auch Theodor Hänsch für die Geheimnisse der Quantenwelt. Alle Eigenschaften von Festkörpern wie z.b. die Leitfähigkeit oder der Magnetismus, gehen auf die quantenmechanischen Eigenschaften ihrer elementaren Bausteine, der Elektronen und Atome zurück, erklärt Theodor Hänsch. Diese Eigenschaften nehmen die Forscher mit Laserlicht in ihrem MAP-Projekt unter die Lupe. Dazu kühlen sie exotische Gase bis fast auf den absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Dem Team ist es bereits gelungen, extrem kalte, sogenannte entartete Quantengase zu erzeugen und sie mit Laserlicht zu untersuchen. Die Gase dienen als Modelle, um zum Beispiel Supraleitfähigkeit, also widerstandslosen Elektronentransport, zu simulieren. Aber auch völlig neue Materiezustände wollen die Physiker mit ihrem neuen Wissen um die entarteten Quantengase realisieren. Die Versuche sind Grundlagenforschung. Doch das bessere Verständnis der Quantenwelt, um das sich bei MAP auch noch zahlreiche weitere Physiker bemühen, soll letztendlich zu neuen Anwendungen in der Informationstechnologie führen. Vor allem erhofft man sich eine enorme Steigerung der Rechenkapazität. Dazu eröffnen sich neue Wege in anderen Disziplinen, wie der sicheren Datenübermittlung durch Licht, der sogenannten Quantenkryptografie, an der Professor Harald Weinfurter an der LMU arbeitet. Röntgenlicht aus Laserblitzen Neben der Grundlagenforschung in der Quantenphysik des Mikrokosmos sind es vor allem die hochintensiven Femtosekunden-Laserlichtpulse, die viele Anwendungen versprechen. Zwar wird noch Zeit vergehen, bis Licht die Beschleunigung von Ionen und Elektronen übernimmt, doch die Grundlagen sind geschaffen. Heute werden die Teilchen in Kilometer langen Anlagen mit elektrischen Feldern beschleunigt. Im MAP-Cluster wollen wir Teilchenbeschleuniger mit Laserlicht in kompakterer Form bauen, erklärt Dietrich Habs vom Lehrstuhl für Experimentelle Kernphysik der LMU. Dietrich Habs ist gemeinsam mit Ferenc Krausz Koordinator des Clusters. Wir wollen leistungsstarke Lichtquellen vor allem für medizinische Anwendungen entwickeln. Zudem verknüpfen wir unsere Projekte mit der Industrie und wollen durch Innovationen Arbeitsplätze schaffen. Nur wenige Türen von Dietrich Habs Büro entfernt steht ein Prototyp für einen Apparat, der in Zukunft brilliante Röntgenstrahlung erzeugen könnte. Es ist ein rund 50 Zentimeter langes, metallisch glänzendes Gerät. Der Apparat, aus dem einige Nieten herausschauen und an dessen Enden sich Löcher befinden, ist das Herzstück eines Lasersystems, das eine Arbeitsgruppe um Florian Grüner entwickelt. Mit dem Undulator wollen wir mittels laserbeschleunigter Elektronen Röntgenstrahlung für die Medizin erzeugen, erklärt Florian Grüner. Im MAP-Projekt Brillante Röntgenstrahlung soll Licht mit Wellenlängen weniger 03

4 Nanometer erzeugt werden. Das Prinzip des sogenannten Freien-Elektronen Lasers (FEL) besteht aus vielen Einzelkomponenten: Erst erzeugt ein Laser Femtosekundenpulse. Die Pulse werden auf ein Plasma geschossen, aus dem Elektronen herausgeschlagen werden. Anschließend gelangen die Elektronen in den Undulator. Auf dem Weg durch das Gerät durchqueren sie ein wechselndes Magnetfeld. Dadurch werden sie beschleunigt und abgebremst und senden Photonen aus. Das Ergebnis ist brilliantes Licht. Es besteht aus ultrakurzen und stark gebündelten Laserpulsen die einen intensiven, einfarbigen Lichtstrahl bilden. Der entscheidende Vorteil: selbst winzige Strukturen lassen sich damit untersuchen. Bald werden die MAP-Wissenschaftler mit dem Undulator Licht mit 30 Nanometer Wellenlänge, erzeugen. Doch das Ziel ist ehrgeiziger: Die Forscher wollen in den Wellenlängenbereich eines Bruchteils eines Nanometers vorstoßen. Gelingt das, dann würde man sogar Atome abbilden können. Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg. Wir müssen uns auch über Teilerfolge freuen, sagt Florian Grüner. Die Garchinger Physiker machen mit ihrem kleinen Gerät Millionen schweren Großprojekten Konkurrenz: Weltweit werden gerade vier Freie-Elektronen-Laser gebaut. Eines davon, das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY), entsteht in Hamburg. Hier bauen die Forscher einen Elektronenbeschleuniger, der sich über viele Kilometer unterirdisch ausdehnt. Bessere Diagnose durch brilliantes Licht Gespannt auf die neue Röntgenstrahlung ist man am Uniklinikum in München. Die Radiologen um Professor Maximilian Reiser verfolgen mit brilliantem Röntgenlicht zwei Ziele: Zum einen haben die Mediziner vor, die Tumorerkennung bei Brustkrebs zu verbessern. Wir wollen Tumore erkennen, die kleiner als einen Millimeter im Durchmesser sind, erklärt Maximilian Reisers Mitarbeiterin, Tanja Schneider. Mit der neuen Früherkennung könnten wir die Brustkrebs-Heilungschancen erheblich verbessern. Daneben wollen die Strahlenmediziner auch weiterkommen bei der Bekämpfung der Arthrose. Dieser altersbedingte Abrieb der Gelenke beginnt mit feinsten Degenerationen im Knorpel. Je früher man diese im Röntgenlicht erkennt, desto besser kann man Gegenmaßnahmen ergreifen, erläutert Maximilian Reisers Kollege, Christian Glaser. Die brilliante Röntgenstrahlung aus Laserlicht wird den Medizinern helfen, Knorpelschäden im frühesten Stadium zu erkennen und schneller Therapien einzuleiten. Die Erfahrung mit brillianter Röntgenstrahlung in der Medizin hält sich noch in Grenzen. Erkenntnisse in der Tumorfrüherkennung mit brilliantem Röntgenlicht sammeln die Mediziner gerade am Synchrotron (ESRF) in Grenoble. Dort wird die Strahlung über einen Beschleuniger erzeugt. Unser Ziel ist es vorerst, die Daten und Bilder aus der hochenergetischen Röntgenstrahlung interpretieren zu lernen, resümiert Maximilian Reiser. Während man an der LMU durch hochauflösende Bildgebung mit brillianter Röntgenstrahlung Tumoren bereits im allerfrühesten Stadium diagnostizieren will, befasst sich die Forschergruppe um Professor Michael Molls am Klinikum rechts der Isar der TUM mit der Verbesserung der Krebstherapie durch lasererzeugte Ionenpulse. Auf Grund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften lassen sich Tumoren mit Ionenstrahlung viel effizienter und 0

5 Ähnlich wie bei der Fotografie werden die Bilder aus dem Mikrokosmos immer schärfer, je kürzer man die Lichtpulse setzt. Zudem wollen die Physiker, mit dem elektrischen Feld des Laserlichts Elektronenbewegungen in komplexen Molekülen und Nanostrukturen kontrollieren. nebenwirkungsärmer behandeln. Die derzeit verfügbaren konventionellen Anlagen beschleunigen Ionen mit elektrischen Feldern. Sie sind mit einem Gewicht von rund 650 Tonnen jedoch extrem aufwendig und teuer. Die im MAP-Cluster geplanten, sehr viel kleineren, Laserbeschleuniger, mit denen ultrakurze Ionenpulse erzeugt werden, bieten die Möglichkeit einer Verbreitung der Krebstherapie mit Ionenstrahlung. Das wichtigste aber ist die Perspektive, bereits kleinste Tumoren mit Hilfe nur weniger dieser hochintensiven Laserpulse zu vernichten. Die Physik löst das Krebsproblem, nicht die Chemie, ist Michael Molls überzeugt. Allerdings ist noch völlig unbekannt, wie sich die einzelne Tumorzelle verhält, wenn sie derartigen Ionenpulsen ausgesetzt wird, die weniger als eine Nanosekunde lang sind. Bisher dauerte eine Bestrahlung mehr als eine Million Mal länger. Spannend ist, welche Wirkung die kürzere Ionen-Pulsdauer auf die Zellkerne ausübt, sagt Anna Friedl, die zusammen mit ihrem Team vom Strahlenbiologischen Institut der LMU im MAP-Cluster die biologische Wirkung lasererzeugter Ionenstrahlung auf einzelne Zellkerne untersucht. Photonen erkennen Krebszellen Während in den anderen Projekten die Mediziner Strahlung verwenden, die durch Laserlicht erzeugt wird, arbeiten Ronald Sroka und Richard Meier vom Laser-Forschungslabor am LIFE-Zentrum in Großhadern direkt mit der Wechselwirkung von Laserlicht und Gewebe. Ziel ihres Projektes FemtoSCOPE ist es, Tumorzellen im lebenden Organismus mit Photonen auf mikroskopischer Ebene zu analysieren. Wir schicken rotes Laserlicht in Femtosekundenpulsen durch ein Endoskop, erklärt Richard Meier. Treffen zwei solcher Photonen gleichzeitig auf in die Zelle eingebrachte Farbstoffe, werden diese in der Zellstruktur zur Fluoreszenz, etwa im grünen Spektrum angeregt. Die Analyse der Fluoreszenz erlaubt eine Unterscheidung von gesunden und tumorösen Gewebezellen innerhalb der klinischen Diagnostik. Bei der bisherigen Diagnosemethode werden kleine Gewebeproben zunächst entnommen und dann im Labor untersucht. Das pathologische Ergebnis kommt zeitversetzt erst nach einigen Tagen. Mit dem Laser-Endoskop wollen wir eine sofortige Diagnose durch einen minimal-invasiven Eingriff durch optische Biopsie ermöglichen und somit die Zeitdauer zwischen Diagnostik und Therapiebeginn verkürzen, erklärt Ronald Sroka. Zur Analyse des Gewebes muss das Licht nicht tief in den Zellverbund eindringen, erläutert Richard Meier. Wir beabsichtigen mit dieser Methode Informationen aus einer Gewebetiefe von zehn bis 500 Mikrometer mit einer Auflösung von zwei Mikrometer zu erhalten. Die ersten vier oder fünf Zelllagen geben Aufschluss darüber, ob ein Tumor aggressiv ist oder nicht. 05

6 Auch in der Elektronenmikroskopie sollen Femtosekunden-Laserpulse zum Einsatz kommen. Bei der Elektronenmikroskopie werden Strukturen mit Hilfe der Streuung von Elektronen abgebildet. Zur Zeit erreicht man dabei eine Auflösung von rund 0,1 Nanometer. Mit Femtosekunden-Einzelblitzen von Elektronen könnte eine zeitliche Aufzeichnung von schnellen Prozessen in Zellen möglich werden, die sich zum Beispiel bei der Faltung von Proteinen abspielen. Erste Vorversuche dazu finden bereits am Martinsrieder Max-Planck- Institut für Biochemie im Team von Jürgen Plitzko statt. Hier sammeln die MAP-Forscher Erfahrungen mit der Elektronentomographie. Dabei wird ein Objekt im Elektronenmikroskop um eine Achse gekippt und von einem großen Winkelbereich Projektionen aufgezeichnet. So erhalten die Wissenschaftler eine dreidimensionale Abbildung der molekularen Strukturen innerhalb der untersuchten Zellen. Bis es lasergetriebene Elektronenmikroskope gibt, werden sicher noch einige Jahre vergehen, erklärt Jürgen Plitzko. Doch sollten wir das schaffen, dann könnten wir völlig neue Einblicke in die komplexen biologischen Vorgänge in Zellen gewinnen. Prof. Dr. Ferenc Krausz ist seit 2004 Lehrstuhlinhaber für Experimentalphysik (Quantenphysik) an der Fakultät für Physik der LMU. Zudem leitet er das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Er ist Koordinator des Exzellenzclusters MAP. Prof. Dr. Dietrich Habs ist seit 1995 Lehrstuhlinhaber für Experimentelle Kernphysik. Seit April 2008 ist er zudem Fellow am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Er ist Koordinator des Exzellenzclusters MAP. Prof. Dr. Theodor Hänsch übernahm 1986 den Lehrstuhl für Experimentalphysik und Laserspektroskopie an der LMU. Er ist außerdem Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching erhielt er den Nobelpreis für Physik. 06