Zehn Meter Draht und ein Viertelfemtoskunden-Blitz: Ferenc Krausz und das Tempolimit des Lichts

Eine zehn Meter lange Drahtantenne spannte sich zwischen dem Wohnhaus der Familie und der Garage im ungarischen Mór. Die von dem jungen Ferenc Krausz selbst gebaute Konstruktion empfing Radiosignale weit über die Landesgrenzen hinaus und bewies, wie unsichtbare elektromagnetische Wellen Informationen durch die Luft übertragen können. Krausz’ biografischem Bericht zufolge hatte das Experiment, das ihn dazu inspirierte, im Klassenzimmer der Miklós-Radnóti-Grundschule stattgefunden. Dort demonstrierte sein Physiklehrer Károly Kiss die physikalischen Gesetze, die Radiowellen mit dem Sonnenlicht verbinden. Dieser Funke führte Krausz schließlich zu zwei parallelen Studiengängen in Budapest: Elektrotechnik an der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest (BME) und Physik an der Eötvös-Loránd-Universität (ELTE).

Signale über den Draht

In Budapest festigten die Elektrodynamik-Vorlesungen von Károly Simonyi an der BME und György Marx an der ELTE Krausz’ Interesse an elektromagnetischen Wellen und der Dynamik von Elektronen. Seine ersten Schritte in der experimentellen Laserforschung unternahm er bei Tibor Juhász am Physik-Institut der BME. Im Labor von Juhász maß Krausz Pikosekunden-Infrarot-Lichtpulse, die von einem Festkörper-Neodym-Glaslaser erzeugt wurden. Obwohl Pikosekunden-Zeitskalen die Grenzen herkömmlicher Elektronik bereits weit überschritten, erforderte die Beobachtung subatomarer Elektronenbewegungen noch weitaus kürzere Lichtblitze.

Von Pikosekunden zu Femtosekunden

Im Jahr 1987 lud der Physiker Arnold Schmidt Krausz ein, sich seiner Forschungsgruppe an der TU Wien in Österreich anzuschließen, um Femtosekunden-Festkörperlaser zu entwickeln. Der Ehrgeiz, die Elektronendynamik einzufangen, verstärkte sich 1993, als Paul Corkum eine Reihe von Vorlesungen in Wien hielt. Corkums theoretische Modelle motivierten Krausz und seine Kollegen, Pulse einzelner optischer Feldzyklen zu verfolgen – Laserblitze, die auf eine einzige Lichtschwingung komprimiert waren.

Das Einfangen des einzelnen optischen Zyklus

Solch kurze Pulse zu erreichen, erforderte neuartige technische Methoden. Krausz’ Gruppe arbeitete mit dem Team von Orazio Svelto in Mailand zusammen, das die Spektralverbreiterung mithilfe gasgefüllter Hohlkernfasern entwickelt hatte. Um diese breitbandigen Lichtpulse zu steuern und zu komprimieren, schloss sich Krausz mit Robert Szipőcs und Kárpát Ferencz in Budapest zusammen, um spezielle gechirpte Mehrschichtspiegel zu entwerfen. Durch die Kombination der Hohlkernfaser-Verbreiterung mit diesen maßgeschneiderten Optiken gelang es dem Wiener Team um die Jahrtausendwende, mithilfe einer lichtfeldgesteuerten Streak-Kamera isolierte Attosekunden-Lichtblitze zu erzeugen und zu messen.

Von atomarer Bewegung zu molekularen Fingerabdrücken

Krausz weitete diese Forschungsarbeiten aus, nachdem er 2003 Leitungsfunktionen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und 2004 an der Ludwig-Maximilians-Universität München übernommen hatte. Im Jahr 2004 gelang dem Teammitglied Eleftherios Goulielmakis eine bahnbrechende Messung: Er setzte innerhalb von 250 Attosekunden Photoelektronen frei, um die schnellen Schwingungen von sichtbarem rotem Licht direkt aufzuzeichnen.

Die Fähigkeit, ultraschnelle Variationen elektrischer Felder abzutasten, brachte schon bald praktische Werkzeuge hervor, die weit über die Atomphysik hinausgingen. Im Jahr 2019 gründete Krausz in Ungarn das Center for Molecular Fingerprinting, um menschliches Blut mithilfe der Molekularspektroskopie im elektrischen Feld zu analysieren. Durch das Scannen von Infrarotlicht, das von Blutbestandteilen emittiert wird, erfasst das Verfahren feine Veränderungen in der Molekularstruktur. Damit wurden Werkzeuge, die einst zur Verfolgung von Elektronenbewegungen entwickelt wurden, zu Instrumenten für die medizinische Früherkennung.

KI-generierte redaktionelle Illustration; kein Dokumentarfoto.

Quelle: Nobel Prize Ferenc Krausz