Prof. Dr. Ferenc Krausz, Träger des renommierten Wolf-Preises für Physik 2022, gab iGlobenews ein Exklusivinterview über seine Forschung im Bereich der Attosekundenphysik, der Wissenschaft von elektronischen Bewegungen im Mikrokosmos. Die junge Disziplin der Attosekundenphysik liefert die Werkzeuge und Techniken, um erstmals direkten Zugang zu elektronischen Bewegungen und Lichtwellenschwingungen zu erhalten. Die Attosekundenphysik hat nicht nur das Potenzial, die Zukunft der personalisierten Gesundheitsvorsorge mitzugestalten, sondern wird auch entscheidend dazu beitragen, die elektronenbasierte Informationsverarbeitung bis zu ihrer ultimativen Geschwindigkeitsgrenze, der Lichtgeschwindigkeit, voranzutreiben.
Diana Mautner Markhof, 24. März 2022
Der österreichisch-ungarische Physiker Professor Dr. Ferenc Krausz, Träger des renommierten Wolf-Preises für Physik 2022, gab iGlobenews ein exklusives Interview. Professor Krausz erhielt den Wolf-Preis im Februar 2022 für seine bahnbrechenden Beiträge zur Ultrakurzzeitlaserforschung und Attosekundenphysik. Professor Krausz ist Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Lehrstuhlinhaber für Experimentalphysik – Laserphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität in München. Er studierte an der Technischen Universität Wien und an der Technischen Universität Budapest. Im Jahr 2014 wurde er von Thomson Reuters als einer der einflussreichsten wissenschaftlichen Köpfe gelistet. Für seinen herausragenden Beitrag zur Physik wurde Professor Krausz mit über 40 internationalen Preisen, Auszeichnungen, Ehrenprofessuren und Doktortiteln geehrt.
Das neue Gebiet der Physik, die Attosekundenphysik, ist die Wissenschaft von elektronischen Bewegungen im Mikrokosmos. Sie liefert die Werkzeuge und Techniken, um erstmals direkten Zugang zu elektronischen Bewegungen und Lichtwellenschwingungen zu erhalten. Die Attosekundenphysik hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem im Bereich der personalisierten Gesundheitsvorsorge. Die Attosekundenphysik wird entscheidend dazu beitragen, die elektronenbasierte Informationsverarbeitung bis zu ihrer ultimativen Geschwindigkeitsgrenze, der Lichtgeschwindigkeit, voranzutreiben.
iGlobenews: Könnten Sie bitte für den Nicht-Fachmann beschreiben, was Attosekundenphysik ist?
„Ob in Atomen, Molekülen oder nanostrukturierter fester Materie … die Bewegung dieser unteilbaren Elementarteilchen hat weitreichende Konsequenzen – für unser Leben und unsere moderne Gesellschaft.“ Professor Krausz: Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde: eine Nano-Nanosekunde. Attosekundenphysik ist die Wissenschaft von elektronischen Bewegungen im Mikrokosmos. Diese Bewegungen werden durch die Wechselwirkung von Elektronen mit Licht ausgelöst. Die Kraft, die sichtbare Lichtwellen auf sie ausüben, ändert ihre Stärke und Richtung innerhalb von einigen hundert Attosekunden. Die Elektronen können auf diese hyperschnellen Veränderungen reagieren, indem sie ihren Zustand (Position, Geschwindigkeit) auf der gleichen, unvorstellbar kurzen Zeitskala ändern. Ob in Atomen, Molekülen oder nanostrukturierter fester Materie – den Grundbausteinen der Materie, lebender Organismen bzw. elektronischer Schaltkreise – hat die Bewegung dieser unteilbaren Elementarteilchen weitreichende Konsequenzen – für unser Leben ebenso wie für unsere moderne Gesellschaft.
„Die junge Disziplin der Attosekundenphysik liefert die Werkzeuge und Techniken, um erstmals direkten Zugang zu elektronischen Bewegungen und Lichtwellen-Oszillationen zu erhalten.“ Elektronische Bewegungen auf atomarer Ebene sind verantwortlich für die Erzeugung von Licht (einschließlich Laserlicht) und für die Bildung und Auflösung chemischer Bindungen, die die Struktur von Biomolekülen und deren Funktion in lebenden Systemen verändern, sowie für die schnellstmögliche Verarbeitung von Informationen. Um die Entstehung von Krankheiten auf der grundlegendsten Ebene zu verstehen oder die Informationsverarbeitung bis zu ihrer ultimativen Geschwindigkeitsgrenze voranzutreiben, muss man die Bewegung der Elektronen verstehen. Diese lebenswichtige Bewegung vollzieht sich in der Regel innerhalb von Dutzenden bis Hunderten von Attosekunden.
Die junge Disziplin der Attosekundenphysik liefert die Werkzeuge und Techniken, um erstmals direkten Zugang zu elektronischen Bewegungen und Lichtwellenschwingungen zu erhalten. Die Attosekundenphysik entstand um die Jahrhundertwende mit der Geburt der Attosekunden-Lichtpulse in Wien. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Technologie weltweit verbreitet.
The young discipline of attosecond physics provides the tools and techniques for directly accessing electronic motions and light-wave oscillations for the first time. Attosecond physics emerged at the turn of this century with the birth of attosecond light pulses in Vienna. Over the past two decades, the technology proliferated all over the world.
iGlobenews: Was hat Ihr Interesse an der Attosekundenphysik geweckt?
Professor Krausz: Mein Interesse an der Laserphysik im Allgemeinen und an ultrakurzen Lichtpulsen im Besonderen wurde während meiner Diplomarbeit in den 1980er Jahren an der Technischen Universität Budapest geweckt. Ich war fasziniert von der Tatsache, dass die nichtlineare Wechselwirkung von Laserlicht mit Elektronen es uns ermöglicht, extrem kurze Lichtblitze zu erzeugen und zu messen. „Extrem“ bedeutete damals Impulse mit einer Dauer von mehreren Pikosekunden, einem Tausendstel einer Nanosekunde, der damals charakteristischen Zeitskala, in der elektronische Schaltungen elektrischen Strom ein- und ausschalten konnten.
iGlobenews: Wie hat Ihre Habilitation und Professur an der Technischen Universität (TU) Wien zum Start der Attosekundenphysik und zu Ihren Forschungserfolgen beigetragen?
Professor Krausz: Unsere Forschung in Wien hat in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Ungarn und Italien Mitte der 1990er Jahre intensive Laserpulse hervorgebracht, deren Dauer mit der Schwingungsdauer der zugrunde liegenden elektromagnetischen Felder vergleichbar ist. Diese Pulse dauern nur wenige Femtosekunden (= Tausendstel einer Pikosekunde) und haben die einzigartige Eigenschaft, dass sie einen einzigen intensivsten Wellenberg tragen können. Auf dem Höhepunkt dieses Scheitelpunkts ist die Lichtkraft für eine Dauer von einigen hundert Attosekunden stark genug, um ein Elektron aus einem Atom herauszureißen. Eine halbe Schwingungsperiode später ändert die Kraft ihre Richtung und schmettert das Elektron zurück zu seinem Mutteratom. Die Forschungen von Paul Corkum, Mitpreisträger des Wolf-Preises für Physik 2022, legen nahe, dass die daraus resultierende erneute Kollision einen Blitz aus extremem ultraviolettem Licht im Sub-Femtosekundenbereich erzeugt.
Wir haben fast ein halbes Jahrzehnt gebraucht, um diese Vorhersage zu überprüfen, indem wir – in Zusammenarbeit mit Paul Corkum und seinem Team – die Dauer eines solchen Ausbruchs gemessen haben. Die Messung ergab eine Pulsdauer von 0,65 Femtosekunden = 650 Attosekunden und lieferte den Beweis für eine Zeitmessung mit einer Auflösung von etwa 100 Attosekunden, was die Geburtsstunde der Attosekunden-Metrologie oder allgemeiner der experimentellen Attosekundenphysik bedeutete. Diese und einige nachfolgende Entwicklungen waren die aufregendste und vielleicht auch erfolgreichste Periode in meiner wissenschaftlichen Laufbahn. All dies geschah am Institut für Photonik der TU Wien, vor allem dank seines Gründers und meines Mentors, Arnold Schmidt, der mich anleitete und meine Aufmerksamkeit auf Breitband-Festkörperlaser lenkte. Dies ermöglichte die Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse, um sich einer ultimativen Grenze zu nähern, dem Wellenzyklus des Lichts.
iGlobenews: Arbeiten Sie noch mit Wissenschaftlern der TU Wien zusammen? Und warum haben Sie die TU Wien verlassen?
Professor Krausz: Meine Gruppe hat eine langjährige und sehr erfolgreiche Zusammenarbeit mit Joachim Burgdörfer und seiner Theoriegruppe, mit der wir in den letzten eineinhalb Jahrzehnten eine Reihe von Arbeiten veröffentlicht haben. Außerdem wurde ein leitender Postdoktorand aus meiner Gruppe, Andrius Baltuska, mein Nachfolger am Photonics Institute. Ein paar Jahre später wurde ein anderes Mitglied meiner Gruppe, Martin Schultze, Professor an der TU Graz. Mein Umzug nach Deutschland, motiviert durch die einzigartigen Forschungsmöglichkeiten und das Umfeld, das das Max-Planck-Institut für Quantenoptik und die Ludwig-Maximilians-Universität bieten, hat also bereits den Umzug von zwei Weltklasse-Talenten nach Österreich ausgelöst. Weitere könnten folgen, wenn sich andere Universitäten dazu entschließen, diesem vielversprechenden, sich rasch entwickelnden Gebiet der Laserwissenschaft einen Lehrstuhl zu widmen.
iGlobenews: Gab es ein bestimmtes Forschungsprojekt in der Attosekundenphysik, das zur Verleihung des prestigeträchtigen Wolf-Preises für Physik 2022 führte?
„Die schnellsten Bewegungen außerhalb des Atomkerns können nun in Echtzeit aufgezeichnet werden.“Professor Krausz: Zu den bedeutendsten Ergebnissen unserer Forschungsgruppe gehören meines Erachtens die Erzeugung und Messung des ersten Sub-Femtosekunden-Lichtblitzes mit Hilfe einer nahezu eintaktigen Laserlichtwelle und die anschließende Anwendung dieser Werkzeuge und Attosekunden-Messverfahren auf die Echtzeitbeobachtung der Elektronendynamik im atomaren Maßstab. Dazu gehören grundlegende Prozesse wie der Zerfall einer Vakanz in der inneren Schale, das Tunneln von Elektronen aus einem Atom, die Bildung chemischer Bindungen in Molekülen und der Elektronentransport in Festkörpern im Subnanometerbereich. Die schnellsten Bewegungen außerhalb des Atomkerns können nun in Echtzeit aufgezeichnet werden.
iGlobenews: Wäre es richtig zu sagen, dass die Attosekundenphysik wie eine Kamera eingesetzt werden kann, um physikalische und chemische Prozesse auf atomarer und molekularer Ebene in Echtzeit zu beobachten? Könnten Sie uns bitte mehr darüber erzählen?
„Eine Kamera mit kurzer Verschlusszeit ist in der Tat die beste Analogie für das Kernkonzept der Attosekundenphysik in der realen Welt.“Professor Krausz: Eine Kamera mit kurzer Verschlusszeit ist in der Tat die beste Analogie für das Kernkonzept der Attosekundenphysik in der realen Welt. Eine kurze Verschlusszeit sorgt dafür, dass der Sensor der Kamera nur für ein kurzes Zeitintervall der Außenwelt ausgesetzt ist, was gestochen scharfe Fotos von sich schnell bewegenden Objekten ermöglicht. Doch selbst die Mikrosekunden-Belichtungszeit der schnellsten Kamera der Welt, die in der Lage ist, die Bewegung einer Kugel „einzufrieren“, ist um ein Milliardenfaches zu langsam, um elektronische Bewegungen in Atomen, Molekülen oder nanoskaligen Schaltkreisen zu erfassen. Die Dauer von Attosekunden-Lichtblitzen und die Schnelligkeit von Laserfeldschwingungen haben die Rolle der Belichtungszeit einer Kamera übernommen und ermöglichen das „Einfrieren der Bewegung“ im Mikrokosmos. Die Attosekundenphysik bietet nun eine ausreichend schnelle Belichtungszeit, um jede mikroskopische Bewegung außerhalb des Atomkerns zu erfassen.
iGlobenews: Könnten Sie dem Laien erklären, was die Attosekundenphysik mit den Forschungsverbünden „Lasers4Life“ und „Center for Molecular Fingerprinting“ zu tun hat und uns mehr über diese Projekte erzählen?
Professor Krausz: Eines der Schlüsselkonzepte der Attosekundenphysik ist die Präzisionsmessung der Oszillation von Licht. Indem wir das oszillierende elektrische Feld von Infrarot-Lichtwellen, die von plötzlich angeregten Molekülen ausgesandt werden, mit Attosekunden-Präzision messen, können wir winzige Veränderungen in der Zusammensetzung komplexer molekularer Konsortien, wie z. B. im menschlichen Blut, feststellen. Diese Veränderungen können Frühindikatoren für Veränderungen des Gesundheitszustands des Organismus sein. Wenn sie mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden, spiegeln sie sich in der Wellenform des elektrischen Feldes wider, das von der laserangeregten Blutplasma- oder Serumprobe ausgeht. Wir haben den neuen Ansatz „electric-field molecular fingerprinting“ (EMF) genannt, www.attoworld.de/bird. Unser in München ansässiges Projekt Lasers4Life (www.lasers4life.de) nutzt EMF zur Erkennung schwerer chronischer Krankheiten wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, während unser in Budapest ansässiges Projekt Center for Molecular Fingerprinting (www.cmf.science) darauf abzielt, das Potenzial der neuen Technik für die Gesundheitsüberwachung in einer einzigartigen, landesweiten Längsschnittstudie zu erforschen: Hungary for Health, www.h4h.hu.
iGlobenews: Was wären mögliche weitere Anwendungen der Attosekundenphysik?
Professor Krausz: Abgesehen von ihrem Potenzial, die Zukunft der personalisierten Gesundheitsvorsorge zu gestalten, wird die Attosekundenphysik entscheidend dazu beitragen, die elektronenbasierte Informationsverarbeitung bis zu ihrer ultimativen Geschwindigkeitsgrenze, den Frequenzen des Lichts, voranzutreiben. Dies würde bedeuten, dass die Geschwindigkeit der heutigen elektronischen Signalverarbeitung – das Ein- und Ausschalten von elektrischem Strom mehrere Milliarden Mal pro Sekunde – um das Zehn- bis Hunderttausendfache gesteigert werden könnte.
iGlobenews: Als Direktor der Abteilung Attosekundenphysik des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in München, was sind einige Ihrer wichtigsten Kooperationsaktivitäten mit anderen Forschungsinstituten in Europa und im Ausland?
Professor Krausz: Unsere Attoworld-Gruppe (www.attoworld.de) ist mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und dem kürzlich gegründeten Center for Molecular Fingerprinting (CMF) verbunden. Wir verfügen über ein Netz wissenschaftlicher Mitarbeiter, das sich über drei Kontinente erstreckt. Dazu gehören beispielsweise die Stanford University in den USA, die University of Oxford im Vereinigten Königreich, die King-Saud University in Saudi-Arabien, Riad, sowie die TU Wien und die TU Graz in Österreich.
iGlobenews: Gibt es viele Studenten, die sich für das fortschrittliche Gebiet der Attosekundenphysik interessieren? Gibt es viele Forscherinnen auf dem Gebiet der Attosekundenphysik?
Professor Krausz: Die Antwort auf die erste Frage ist ein klares Ja, wir können nur einige Prozent derjenigen aufnehmen, die Interesse an einer Mitarbeit in unserer Forschung bekunden. Mit den neuen Perspektiven, die sich für die erste „reale“ Anwendung der Attosekundenphysik, die EMF, eröffnen, steigt das Interesse merklich. Die Antwort auf die zweite Frage ist weniger positiv. Wie in allen anderen Bereichen der Physik ist auch in unserer Gruppe der Anteil der Forscherinnen viel zu niedrig (15-20%). Umso bemerkenswerter ist es, dass unsere jungen Wissenschaftlerinnen zu den Leistungsträgern gehören. Unsere Mikrofluidik-Spezialistin Pushparani Micheal Raj wurde kürzlich von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) zur „Physikerin der Woche“ gekürt und Nathalie Nagl war die erste, die innerhalb von weniger als drei Jahren promoviert hat und gerade mit der renommierten Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft ausgezeichnet wurde. Vor allem aber leitet Mihaela Zigman unser gesamtes biomedizinisches Forschungsprogramm, die erste Anwendung der Attosekundenphysik in der realen Welt.
iGlobenews: Ist die Attosekundenphysik ein Forschungsgebiet nicht nur für Universitäten und Forschungsinstitute, sondern auch für große Unternehmen geworden?
Professor Krausz: Auf jeden Fall. Wechselwirkungen von Licht und Elektronen im Attosekundenbereich liegen dem Betrieb der größten Forschungsanlagen in der Laserwissenschaft zugrunde: Freie-Elektronen-Röntgenlaser. Ein halbes Dutzend davon sind auf mehreren Kontinenten in Betrieb und mehrere weitere befinden sich in der Bau- und Planungsphase. Sie alle bieten entweder die nachgewiesene Fähigkeit oder das Potenzial, Röntgenpulse von Attosekundenlänge zu emittieren. Diese sind vielversprechend für eine Reihe von Anwendungen, von denen einige von weitreichender Bedeutung sind, wie die Bestimmung der Struktur von Proteinen, ohne dass diese kristallisiert werden müssen.
iGlobenews: Was sollte Österreich tun, um Wissenschaftler von Weltrang in Österreich zu halten? Sie sind nicht der erste Spitzenwissenschaftler, der Österreich verlässt.
Professor Krausz: Kein Land der Welt kann alle seine Spitzenwissenschaftler im Land halten. Realistischer (und auch lohnender) ist es, mehr Spitzenforscher ins Land zu holen, als es Abwanderer gibt. Wie bereits erwähnt, ist die Bilanz in der jungen Disziplin der Attosekundenphysik bereits ermutigend: 2:1. Als Heimat von Erwin Schrödinger, Sigmund Freud und einigen weiteren Giganten der modernen Wissenschaft ist Österreich bekannt für bahnbrechende Entdeckungen und für eine hervorragende universitäre Ausbildung. Das ist eine gute Basis, auf die man aufbauen kann. Die Schaffung ähnlicher Bedingungen – in ausgewählten Bereichen und Institutionen – wie sie die Max-Planck-Gesellschaft bietet (hochrangige institutionelle Förderung, Planungssicherheit und Forschungsfreiheit), wird die Fähigkeit Österreichs verbessern, Spitzenkräfte ins Land zu holen. Mehrere Beispiele zeigen, dass dies durchaus realisierbar ist: Das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (in Innsbruck und Wien) und das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (mit Sitz in Wien) sind beide in einigen Bereichen ihrer Forschungsgebiete weltweit führend.
