Der Maßschneider des Atoms

Claude Cohen-Tannoudji (1933–2026)

Quelle: Amir Bernat, CC BY-SA 4.0, Beschnitt: A. Pawlak

Claude Cohen-Tannoudji wurde 1933 in Constantine in Algerien geboren, das damals noch französische Kolonie war. Nach Abschluss seiner Vorbereitungsklassen in Algier wurde er 1953 an der École normale supérieure (ENS) aufgenommen. Zu Anfang interessierte er sich für Mathematik, doch die Vorlesungen von Alfred Kastler faszinierten ihn so sehr, dass er sich der Physik zuwandte.

1955 schloss er sich der Gruppe an, die Kastler zusammen mit seinem Studenten Jean Brossel am Laboratoire de spectroscopie hertzienne der ENS gegründet hatte. Aus diesem Labor ging später das Laboratoire Kastler Brossel im Fachbereich Physik der ENS hervor, wo Cohen-Tannoudji seine gesamte Laufbahn verbrachte.

Nach seinen ersten Forschungen zur Atomspektroskopie schloss Cohen-Tannoudji 1962 seine bahnbrechende Doktorarbeit „Quantentheorie des optischen Pumpzyklus. Experimentelle Verifizierung neu vorhergesagter Effekte“ ab. Der Titel war bezeichnend für seine Forschungen, in denen Theorie und Experiment stets eng miteinander verbunden waren. Seine Doktorarbeit beleuchtete dabei ein Phänomen, das schwer zu beobachten war und mit dem Aufkommen der Laser eine entscheidende Rolle spielen sollte: Licht ist in der Lage, die Energieniveaus eines Atoms zu verschieben.

Dieses Thema vertiefte er in den kommenden Jahren und Jahrzehnten gemeinsam mit seinen Studierenden, darunter insbesondere Serge Haroche, und entwickelte das Konzepts der „dressed atoms“: Das Atom und das es umgebende Photonenfeld bilden ein untrennbares Ganzes, dessen Eigenschaften sich im Schema seiner Energieniveaus offenbaren. Das volle Potenzial dieses Konzepts sollte sich erst später in seiner Karriere entfalten, als er seine Aufmerksamkeit auf die Möglichkeit richtete, Atome mithilfe von Licht abzukühlen und einzufangen.

1984 gründete Cohen-Tannoudji mit Alain Aspect, Jean Dalibard und Christophe Salomon eine Forschungsgruppe, die experimentelle und theoretische Forschung zur Physik kalter Atome verband. Zusammen mit Steven Chu, David Pritchard und weiteren Mitarbeitenden entwickelte er 1987 mit der magnetooptischen Falle (MOT) ein Standardwerkzeug der Laserkühlung. William Daniel Phillips gelang es damit 1988 nachzuweisen, dass sich Natriumatome auf deutlich niedrigere Temperaturen als erwartet herunterkühlen ließen.

Claude Cohen-Tannoudji und Steven Chu konnten bereits kurz darauf eine Erklärung für diesen neuartigen Kühlprozess liefern, indem sie die Wechselwirkung zwischen Atomen und Lichtfeld noch detaillierter als zuvor betrachteten: Atome besitzen demnach eine komplexere innere Struktur als das für die Theorie der Doppler-Kühlung betrachtete Zwei-Niveau-System. Zudem spielt die spezielle Struktur des Lichtfeldes, in dem sich die Atome befinden, eine entscheidende Rolle. Chu, Cohen-Tannoudji und Phillips erhielten für ihre Arbeiten den Physik-Nobelpreis 1997.

Eine Besondere Leidenschaft entfaltete Cohen-Tannoudji in der Lehre. Bereits mit 34 Jahren war er Professor an der naturwissenschaftlichen Fakultät in Paris geworden. Gemeinsam mit seinen Kollegen Bernard Diu und Franck Laloë entwickelte er einen neuen Ansatz, um Quantenphysik zu unterrichten, aus dem ein wegweisendes Quantenmechanik-Buch hervorging.

Sechs Jahre später, im Jahr 1973, wurde er an das Collège de France berufen, wo er 31 Jahre lang lehrte und bekannt für seine makellos organisierten Tafelbilder war. Seine Vorlesungen waren für die französische Physik-Community auf den Gebieten der Quantenoptik und der Atomphysik prägend. Es folgten weitere Bücher zu den Themen Quantenelektrodynamik und Licht-Materie-Wechselwirkung, die er gemeinsam mit Jacques Dupont-Roc, Gilbert Grynberg und David Guéry-Odelin verfasste.

Im Laufe seiner Karriere erhielt Claude Cohen-Tannoudji neben dem Physik-Nobelpreis zahlreiche Auszeichnungen. Zu den bedeutendsten gehören seine Wahl in die Französische Akademie der Wissenschaften im Jahr 1981, wo er sich aktiv für die Verteidigung verfolgter Wissenschaftler einsetzte, und die Goldmedaille des CNRS im Jahr 1996.