Trio gewinnt den Nobelpreis für Physik wegen dem flüchtigen Blick auf die hochdrehende Welt der Elektronen

3. Oktober 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Merkmale hervorgehoben und dabei die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

• faktengeprüft
• renommierte Nachrichtenagentur
• lektoriert

von DAVID KEYTON und MIKE CORDER

Drei Wissenschaftler haben am Dienstag den Nobelpreis für Physik gewonnen, weil sie uns den ersten flüchtigen Einblick in die superschnelle Welt der rotierenden Elektronen gegeben haben, einem Bereich, der eines Tages zu einer besseren Elektronik oder der Diagnose von Krankheiten führen könnte.

Elektronen bewegen sich so schnell, dass sie für menschliche Bemühungen, sie zu isolieren, unerreichbar waren, aber indem man den kleinsten möglichen Bruchteil einer Sekunde betrachtet, haben Wissenschaftler jetzt einen "verschwommenen" Blick auf sie und das eröffnet völlig neue Wissenschaften, sagen Experten.

"Die Elektronen sind sehr schnell und die Elektronen sind wirklich die Arbeitskräfte überall", sagte das Mitglied des Nobelpreiskomitees Mats Larsson. "Sobald man Elektronen kontrollieren und verstehen kann, hat man einen sehr großen Schritt nach vorne gemacht."

L'Huillier von der Universität Lund in Schweden ist die fünfte Frau, die einen Nobelpreis in Physik erhält.

"Für alle Frauen sage ich, wenn ihr interessiert seid, wenn ihr ein kleines bisschen Leidenschaft für diese Art von Herausforderungen habt, dann versucht es einfach", sagte sie der Associated Press.

Die Wissenschaftler, die getrennt voneinander arbeiteten, nutzten immer schnellere Laserpulse, um das atomare Geschehen einzufangen, das mit derart rasanten Geschwindigkeiten ablief - eine Billiardstelsekunde, bekannt als Attosekunde - ähnlich wie Fotografen mit schnellen Verschlusszeiten einen Kolibri beim Füttern einfangen.

Wie klein ist das?

"Nehmen wir eine Sekunde, die Zeit eines Herzschlags", sagte die Vorsitzende des Nobelpreiskomitees, Eva Olsson. Um den Bereich der Attosekunde zu erreichen, müsste man das sechsmal durch 1.000 teilen.

Physiker Mark Pearce, Mitglied des Nobelpreiskomitees, sagte: "Es gibt genauso viele Attosekunden in einer Sekunde wie Sekunden, die seit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren vergangen sind."

Aber auch wenn Wissenschaftler das Elektron "sehen", gibt es nur begrenzte Möglichkeiten, es zu betrachten.

"Man kann sehen, ob es auf der einen Seite eines Moleküls oder auf der anderen ist", sagte L'Huillier, 65. "Es ist immer noch sehr verschwommen."

"Die Elektronen sind viel mehr wie Wellen, wie Wasserwellen, als Partikel und was wir mit unserer Technik zu messen versuchen, ist die Position des Scheitels der Wellen", fügte sie hinzu.

Elektronen sind entscheidend, weil sie "die Atome miteinander verbinden", sagte L'Huillier. Hier finden chemische Reaktionen statt.

"Elektronen sind, auch wenn wir sie nicht sehen können, allgegenwärtig in unserem Leben - in unserem biologischen Leben und auch in unserem technischen Leben, in unserem Alltag", sagte Krausz auf einer Pressekonferenz. "In unserem biologischen Leben bilden Elektronen den Klebstoff zwischen Atomen, mit denen sie Moleküle bilden, und diese Moleküle sind dann die kleinsten funktionellen Bausteine eines jeden lebenden Organismus."

Und wenn man verstehen will, wie sie arbeiten, muss man wissen, wie sie sich bewegen, sagte Krausz.

Zurzeit geht es bei dieser Wissenschaft darum, unser Universum zu verstehen, aber die Hoffnung besteht, dass sie eines Tages praktische Anwendungen in der Elektronik, bei der Diagnose von Krankheiten und in der Grundchemie haben wird.

L'Huillier sagte, ihre Arbeit zeige, wie wichtig es ist, an grundlegender Wissenschaft zu arbeiten, unabhängig von zukünftigen Anwendungen: Sie habe 30 Jahre daran gearbeitet, bevor mögliche praktische Anwendungen deutlicher wurden.

L'Huillier unterrichtete grundlegende Ingenieurphysik für etwa 100 Studenten in Lund, als sie den Anruf erhielt, dass sie gewonnen hatte, aber ihr Handy war auf lautlos gestellt und sie ging nicht ran. Sie überprüfte es während einer Pause und rief das Nobelpreiskomitee an.

Dann ging sie zurück zum Unterrichten.

"Ich war sehr konzentriert, habe den Nobelpreis vergessen und versucht, meinen Vortrag zu beenden", sagte sie der AP. Sie beendete die Vorlesung etwas früher, um auf der Pressekonferenz zur Bekanntgabe des Preises an der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften in Stockholm sprechen zu können.

"Das ist der angesehenste Preis und ich bin so glücklich, diesen Preis zu bekommen. Es ist unglaublich", sagte sie auf der Pressekonferenz. "Wie Sie wissen, haben nicht so viele Frauen diesen Preis erhalten, also ist er sehr besonders für mich."

Die Nobel-Organisation veröffentlichte ein Foto von L'Huillier in den sozialen Medien, auf dem sie ein Mobiltelefon ans Ohr hält.

"Gewidmete Lehrerin der Alarmstufe Rot!" lautete der Beitrag auf X, früher Twitter. "Nicht einmal der Nobelpreis für Physik 2023 konnte Anne L'Huillier von ihren Studenten trennen."

Und L'Huillier sagte, dass sie den Schülern nicht erlaubt war, zu erzählen, was passiert ist, weil der Preis zu dieser Zeit geheim war, aber sie sagte, dass sie es erraten haben.

Agostini, ein emeritierter Professor an der Ohio State University, war in Paris und konnte vom Nobelpreiskomitee nicht erreicht werden, bevor es seinen Gewinn der Welt bekannt gab.

'Ich habe keinen Anruf vom Komitee erhalten. Vielleicht ist es nicht wahr. Ich weiß es nicht', sagte er gegenüber der AP und lachte. 'Ich denke, das Komitee sucht nach mir in Columbus.'

'Es gibt sicherlich jüngere Leute, die es mehr geschätzt hätten als ich', scherzte der 82-Jährige. 'Es ist gut, aber es ist ein bisschen spät für mich.'

Aber er fügte hinzu: 'Ich glaube nicht, dass ich es früher verdient hätte!'

Krausz, vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München, sagte Reportern, er sei verwirrt.

'Ich versuche seit 11 Uhr herauszufinden ... ob ich in der Realität bin oder ob es nur ein langer Traum ist', sagte der 61-Jährige.

Der Telefonanruf des Nobelkomitees zeigte 'keine Anrufer-ID' an und Krausz beantwortet normalerweise solche Anrufe nicht, aber diesmal sagte er: 'Ich dachte, ich versuche es und dann wurde klar, dass ich nicht so schnell auflegen kann.'

Im vergangenen Jahr gewannen Krausz und L'Huillier den renommierten Wolf-Preis in Physik für ihre Arbeit, den sie sich mit dem Wissenschaftler Paul Corkum von der University of Ottawa teilten. Nobel-Preise sind nur auf drei Gewinner beschränkt und Krausz sagte, es sei bedauerlich, dass Corkum nicht mit eingeschlossen werden konnte.

Corkum sei entscheidend dafür gewesen, wie die blitzschnellen Laserimpulse gemessen werden konnten, was entscheidend sei, so Krausz.

Die Nobelpreise sind mit einer Geldprämie von 11 Millionen schwedischen Kronen (1 Million US-Dollar) aus dem Vermächtnis des Erfinders des Preises, des schwedischen Erfinders Alfred Nobel, dotiert.

Der Physikpreis wurde einen Tag nachdem zwei Wissenschaftler den Nobelpreis für Medizin für Entdeckungen gewonnen haben, die die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen gegen COVID-19 ermöglichten.

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat beschlossen, den Nobelpreis für Physik 2023 zu vergeben an

Ohio State University, Columbus, USA

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching und Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland

Lund University, Schweden

'für experimentelle Methoden, die Attosekundenpulse von Licht erzeugen, um die Elektronendynamik in Materie zu untersuchen'

Die drei Nobelpreisträger in Physik 2023 werden für ihre Experimente ausgezeichnet, die der Menschheit neue Werkzeuge zur Erforschung der Welt der Elektronen innerhalb von Atomen und Molekülen gegeben haben. Pierre Agostini, Ferenc Krausz und Anne L'Huillier haben eine Methode demonstriert, um extrem kurze Lichtpulse zu erzeugen, die zur Messung der schnellen Vorgänge dienen, bei denen Elektronen sich bewegen oder ihre Energie verändern.

Schnelle Ereignisse fließen für Menschen ineinander über, genau wie ein Film, der aus Standbildern besteht, als kontinuierliche Bewegung wahrgenommen wird. Wenn wir wirklich kurze Ereignisse untersuchen wollen, benötigen wir spezielle Technologie. In der Welt der Elektronen treten Veränderungen in einigen Zehntelsekunden auf - eine Attosekunde ist so kurz, dass es in einer Sekunde so viele gibt, wie es Sekunden seit der Geburt des Universums gibt.

Die Experimente der Laureaten haben Lichtpulse erzeugt, die so kurz sind, dass sie in Attosekunden gemessen werden, und somit gezeigt, dass diese Pulse verwendet werden können, um Prozesse innerhalb von Atomen und Molekülen darzustellen.

1987 entdeckte Anne L'Huillier, dass viele verschiedene Obertöne von Licht entstehen, wenn sie Infrarotlaserlicht durch ein Edelgas überträgt. Jeder Oberton ist eine Lichtwelle mit einer bestimmten Anzahl an Zyklen für jeden Zyklus im Laserlicht. Sie werden durch die Wechselwirkung des Laserlichts mit Atomen im Gas verursacht; es verleiht einigen Elektronen zusätzliche Energie, die dann als Licht abgestrahlt wird. Anne L'Huillier hat dieses Phänomen weiter erforscht und damit den Grundstein für spätere Durchbrüche gelegt.

Im Jahr 2001 gelang es Pierre Agostini, eine Serie aufeinanderfolgender Lichtpulse zu erzeugen und zu untersuchen, von denen jeder Pulse nur 250 Attosekunden dauerte. Zur gleichen Zeit arbeitete Ferenc Krausz mit einem anderen Typ von Experiment, bei dem es möglich war, einen einzelnen Lichtimpuls zu isolieren, der 650 Attosekunden dauerte.

Die Beiträge der Laureaten haben die Untersuchung von Prozessen ermöglicht, die so schnell sind, dass sie zuvor nicht verfolgt werden konnten.

'Wir können nun die Tür zur Welt der Elektronen öffnen. Attosekundenphysik gibt uns die Möglichkeit, Mechanismen zu verstehen, die von Elektronen gesteuert werden. Der nächste Schritt wird ihre Nutzung sein', sagt Eva Olsson, Vorsitzende des Nobelkomitees für Physik.

Es gibt potenzielle Anwendungen in vielen unterschiedlichen Bereichen. In der Elektronik ist es zum Beispiel wichtig zu verstehen und zu kontrollieren, wie Elektronen in einem Material agieren. Attosekundenpulse können auch zur Identifizierung verschiedener Moleküle verwendet werden, z. B. in der medizinischen Diagnostik.

Durch ihre Experimente haben die diesjährigen Preisträger Lichtblitze erzeugt, die kurz genug sind, um Schnappschüsse der extrem schnellen Bewegungen der Elektronen zu machen. Anne L'Huillier entdeckte einen neuen Effekt der Wechselwirkung von Laserlicht mit Atomen in einem Gas. Pierre Agostini und Ferenc Krausz zeigten, dass dieser Effekt genutzt werden kann, um kürzere Lichtimpulse zu erzeugen, als dies bisher möglich war.

Ein winziger Kolibri kann 80 Mal pro Sekunde mit den Flügeln schlagen. Wir können dies nur als ein surrendes Geräusch und eine verschwommene Bewegung wahrnehmen. Für die menschlichen Sinne verschwimmen schnelle Bewegungen und extrem kurze Ereignisse sind nicht wahrnehmbar. Wir müssen technische Tricks anwenden, um diese sehr kurzen Momente einzufangen oder darzustellen.

Hochgeschwindigkeitsfotografie und Blitzlicht ermöglichen die Aufnahme detaillierter Bilder flüchtiger Phänomene. Ein hochfokussiertes Foto eines Kolibris im Flug erfordert eine Belichtungszeit, die viel kürzer ist als ein einzelner Flügelschlag.

Je schneller das Ereignis, desto schneller muss das Bild aufgenommen werden, um den Augenblick einzufangen.

Das gleiche Prinzip gilt für alle Methoden zur Messung oder Darstellung schneller Prozesse; Jede Messung muss schneller durchgeführt werden, als es dauert, bis das untersuchte System eine spürbare Änderung erfährt, andernfalls ist das Ergebnis vage. Die diesjährigen Preisträger haben Experimente durchgeführt, die eine Methode zur Erzeugung von Lichtimpulsen demonstrieren, die kurz genug sind, um Bilder von Prozessen innerhalb von Atomen und Molekülen aufzunehmen.

Die natürliche Zeitskala der Atome ist unglaublich kurz. In einem Molekül können sich Atome in Millionstel einer Milliardstel Sekunde, Femtosekunden, bewegen und drehen. Diese Bewegungen können mit den kürzesten Pulsen untersucht werden, die mit einem Laser erzeugt werden können – wenn sich jedoch ganze Atome bewegen, wird die Zeitskala durch ihre großen und schweren Kerne bestimmt, die im Vergleich zu leichten und flinken Elektronen extrem langsam sind.

Wenn sich Elektronen in Atomen oder Molekülen bewegen, tun sie dies so schnell, dass Veränderungen innerhalb einer Femtosekunde verschwimmen. In der Welt der Elektronen ändern sich Positionen und Energien mit Geschwindigkeiten zwischen einer und einigen hundert Attosekunden, wobei eine Attosekunde ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde ist.

Eine Attosekunde ist so kurz, dass ihre Anzahl in einer Sekunde der Anzahl an Sekunden entspricht, die seit der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren vergangen sind. In einem realistischeren Maßstab können wir uns vorstellen, dass ein Lichtblitz von einem Ende eines Raumes zur gegenüberliegenden Wand geschickt wird – dies dauert zehn Milliarden Attosekunden.

Lange galt eine Femtosekunde als Grenze für die Lichtblitze, die man erzeugen konnte.

Die Verbesserung der bestehenden Technologie reichte nicht aus, um Prozesse auf den erstaunlich kurzen Zeitskalen von Elektronen ablaufen zu lassen; Es war etwas völlig Neues erforderlich. Die diesjährigen Preisträger führten Experimente durch, die das neue Forschungsgebiet der Attosekundenphysik eröffneten.

Licht besteht aus Wellen – Schwingungen in elektrischen und magnetischen Feldern – die sich schneller als alles andere durch ein Vakuum bewegen. Diese haben unterschiedliche Wellenlängen, was unterschiedlichen Farben entspricht. Rotes Licht hat beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 700 Nanometern, ein Hundertstel der Breite eines Haares, und es schwingt etwa vierhundertdreißigtausend Milliarden Mal pro Sekunde. Wir können uns den kürzestmöglichen Lichtimpuls als die Länge einer einzelnen Periode in der Lichtwelle vorstellen, den Zyklus, in dem sie zu einem Höhepunkt, zu einem Tiefpunkt und zurück zu ihrem Ausgangspunkt schwingt. In diesem Fall können die in gewöhnlichen Lasersystemen verwendeten Wellenlängen nie unter eine Femtosekunde fallen, weshalb dies in den 1980er Jahren als harte Grenze für möglichst kurze Lichtausbrüche galt.

Die Mathematik, die Wellen beschreibt, zeigt, dass jede Wellenform erzeugt werden kann, wenn genügend Wellen mit der richtigen Größe, Wellenlänge und Amplitude (Abstände zwischen Spitzen und Tälern) verwendet werden. Der Trick bei Attosekundenpulsen besteht darin, dass es möglich ist, kürzere Pulse zu erzeugen, indem man mehr und kürzere Wellenlängen kombiniert.

Um die Bewegungen von Elektronen auf atomarer Ebene zu beobachten, sind ausreichend kurze Lichtimpulse erforderlich, was bedeutet, dass kurze Wellen vieler verschiedener Wellenlängen kombiniert werden müssen.

Um dem Licht neue Wellenlängen hinzuzufügen, ist mehr als nur ein Laser erforderlich. Der Schlüssel zum Zugriff auf den kürzesten jemals untersuchten Augenblick ist ein Phänomen, das entsteht, wenn Laserlicht ein Gas durchdringt. Das Licht interagiert mit seinen Atomen und verursacht Obertöne – Wellen, die für jeden Zyklus der ursprünglichen Welle eine Reihe ganzer Zyklen durchlaufen. Wir können dies mit den Obertönen vergleichen, die einem Klang seinen besonderen Charakter verleihen und es uns ermöglichen, den Unterschied zwischen derselben Note, die auf einer Gitarre und einem Klavier gespielt wird, zu hören.

Um dem Licht neue Wellenlängen hinzuzufügen, ist mehr als nur ein Laser erforderlich. Der Schlüssel zum Zugriff auf den kürzesten jemals untersuchten Augenblick ist ein Phänomen, das entsteht, wenn Laserlicht ein Gas durchdringt. Das Licht interagiert mit seinen Atomen und verursacht Obertöne – Wellen, die für jeden Zyklus der ursprünglichen Welle eine Reihe ganzer Zyklen durchlaufen. Wir können dies mit den Obertönen vergleichen, die einem Klang seinen besonderen Charakter verleihen und es uns ermöglichen, den Unterschied zwischen derselben Note, die auf einer Gitarre und einem Klavier gespielt wird, zu hören.

1987 konnten Anne L'Huillier und ihre Kollegen in einem französischen Labor Obertöne erzeugen und demonstrieren, indem sie einen Infrarot-Laserstrahl verwendeten, der durch ein Edelgas übertragen wurde. Das Infrarotlicht

verursachte mehr und stärkere Obertöne als der in früheren Experimenten verwendete Laser mit kürzeren Wellenlängen. Bei diesem Experiment wurden viele Obertöne etwa gleicher Lichtintensität beobachtet.

In einer Reihe von Artikeln untersuchte L'Huillier diesen Effekt in den 1990er Jahren weiter, auch an ihrer neuen Basis, der Universität Lund. Ihre Ergebnisse trugen zum theoretischen Verständnis dieses Phänomens bei und legten den Grundstein für den nächsten experimentellen Durchbruch.

Wenn das Laserlicht in das Gas eindringt und auf seine Atome einwirkt, verursacht es elektromagnetische Schwingungen, die das elektrische Feld verzerren, das die Elektronen um den Atomkern hält. Die Elektronen können dann aus den Atomen entweichen. Das elektrische Feld des Lichts schwingt jedoch ständig und wenn es die Richtung ändert, kann ein loses Elektron zum Atomkern zurückströmen. Während der Exkursion sammelte das Elektron viel zusätzliche Energie aus dem elektrischen Feld des Laserlichts und muss, um sich wieder an den Kern zu binden, seine überschüssige Energie als Lichtimpuls abgeben. Diese Lichtimpulse der Elektronen erzeugen die Obertöne, die in den Experimenten auftreten.

Die Energie des Lichts ist mit seiner Wellenlänge verbunden. Die Energie der emittierten Obertöne entspricht ultraviolettem Licht, das kürzere Wellenlängen hat als das für das menschliche Auge sichtbare Licht. Da die Energie aus den Schwingungen des Laserlichts stammt, sind die Schwingungen der Obertöne elegant proportional zur Wellenlänge des ursprünglichen Laserimpulses. Das Ergebnis der Wechselwirkung des Lichts mit vielen verschiedenen Atomen sind verschiedene Lichtwellen mit einer Reihe spezifischer Wellenlängen.

Sobald diese Obertöne existieren, interagieren sie miteinander. Das Licht wird intensiver, wenn die Spitzen der Lichtwellen zusammenfallen, wird aber schwächer, wenn die Spitze eines Zyklus mit dem Tiefpunkt eines anderen zusammenfällt. Unter den richtigen Umständen fallen die Obertöne zusammen, sodass eine Reihe von Impulsen ultravioletten Lichts entsteht, wobei jeder Impuls einige hundert Attosekunden lang ist. Physiker verstanden die Theorie dahinter in den 1990er Jahren, doch der Durchbruch bei der tatsächlichen Identifizierung und Prüfung der Impulse gelang 2001.

Pierre Agostini und seiner Forschungsgruppe in Frankreich ist es gelungen, eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtimpulse zu erzeugen und zu untersuchen, ähnlich einem Zug mit Waggons. Sie nutzten einen besonderen Trick, indem sie die „Impulsfolge“ mit einem verzögerten Teil des ursprünglichen Laserimpulses zusammenfügten, um zu sehen, wie die Obertöne miteinander in Phase waren. Durch dieses Verfahren konnten sie auch die Dauer der Impulse im Zug messen und feststellen, dass jeder Impuls nur 250 Attosekunden dauerte.

Zur gleichen Zeit arbeiteten Ferenc Krausz und seine Forschungsgruppe in Österreich an einer Technik, die einen einzelnen Impuls auswählen konnte – ähnlich wie ein Waggon, der von einem Zug abgekoppelt und auf ein anderes Gleis umgestellt wird. Der Puls, den sie isolieren konnten, dauerte 650 Attosekunden und die Gruppe nutzte ihn, um einen Prozess zu verfolgen und zu untersuchen, bei dem Elektronen aus ihren Atomen herausgezogen wurden.

Diese Experimente zeigten, dass Attosekundenpulse beobachtet und gemessen werden können und dass sie auch für neue Experimente genutzt werden können.

Da nun die Attosekundenwelt zugänglich ist, können diese kurzen Lichtausbrüche zur Untersuchung der Bewegungen von Elektronen genutzt werden. Mittlerweile ist es möglich, Impulse von nur wenigen Dutzend Attosekunden zu erzeugen, und diese Technologie entwickelt sich ständig weiter.

Mit Attosekundenpulsen lässt sich messen, wie lange es dauert, bis ein Elektron von einem Atom weggerissen wird, und untersuchen, wie diese Zeit davon abhängt, wie fest das Elektron an den Atomkern gebunden ist. Es lässt sich rekonstruieren, wie die Verteilung der Elektronen in Molekülen und Materialien von einer Seite zur anderen oder von einem Ort zum anderen oszilliert; Bisher konnte ihre Position nur als Durchschnitt gemessen werden.

Mit Attosekundenpulsen können die inneren Prozesse der Materie getestet und verschiedene Ereignisse identifiziert werden. Diese Impulse wurden verwendet, um die detaillierte Physik von Atomen und Molekülen zu erforschen, und sie haben potenzielle Anwendungen in Bereichen von der Elektronik bis zur Medizin.

Mit Attosekundenpulsen können beispielsweise Moleküle angestoßen werden, die ein messbares Signal aussenden.