Optik im Weltklasseformat

Der Helmholtz-Fonds verleiht alle zwei Jahre den Helmholtz-Preis für hervorragende wissenschaftliche und technologische Forschung auf dem Gebiet der Präzisionsmessungen in Physik, Chemie und Medizin. Dieser wichtigste Preis in der Metrologie zeichnet in diesem Jahr sowohl in der Kategorie „Grundlagenforschung“ als auch in der „Angewandten Messtechnik“ Arbeiten aus der Optik aus. Die Vergabe der Preise ist für den 12. Mai im Rahmen des internationalen Wilhelm und Else-Heraeus-Seminars „High-Precision Measurements and Searches for New Physics“ im Physikzentrum Bad Honnef vorgesehen.

In der Kategorie „Grundlagenforschung“ geht der Helmholtz-Preis an Soroosh Alighanbari und seine Kollegen aus der Arbeitsgruppe von Stephan Schiller an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Die Forschenden haben eine neue Methode der Präzisionsspektroskopie entwickelt, mit der sie fundamentale Fragestellungen der Physik untersuchen können.

Seit Anfang der 2000er-Jahre verfolgten sie den Ansatz, in einer Ionenfalle zwei Ensembles von Ionen unterschiedlicher Sorte zu speichern: eines aus Molekülionen und eines aus atomaren Ionen. Die lasergekühlten atomaren Ionen kühlen durch elektrische Wechselwirkung die Molekülionen. Dieses Herunterkühlen verlangsamt die Molekülionen, sodass sich ihre Eigenschaften mit hoher Genauigkeit vermessen lassen.

Mit dieser indirekten, aber hochpräzisen Methode erzielte die Gruppe gleich vier wichtige Fortschritte: Sie bestimmte das Proton-Deuteron-Elektron-Massenverhältnis mit bisher höchster Genauigkeit und demonstrierte einen zehnmal genaueren Test der Niederenergie-Quantenphysik, der eine Bewegung von Baryonen einbezieht. Außerdem zogen die Forschenden eine schärfere Grenze für die Stärke einer hypothetischen fünften Kraft zwischen Proton und Deuteron und wiesen erstmals einen molekularen elektrischen Quadrupol-Übergang ohne Doppler-Verbreiterung nach. Dabei erreichten sie eine 40.000-mal höhere spektroskopische Güte als bisher.

Nathalie Picqué und Edoardo Vicentini vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching haben die Holografie als leistungsstarke 3D-Fotografietechnik mit der Technik der Frequenzkämme verknüpft. Das ermöglicht noch bessere dreidimensionale Bilder mit ungeahnten Eigenschaften und neue optische Diagnosemöglichkeiten. Dafür erhalten sie den Helmholtz-Preis in der Kategorie „Angewandte Messtechnik“.

Ein optischer Frequenzkammgenerator sendet eine regelmäßige Folge von kurzen Laserpulsen aus. Sein Spektrum besteht aus zahlreichen exakt gleichmäßig verteilten scharfen Spektrallinien, die wie ein Kamm anmuten. So lässt sich die Frequenz von Licht mit hoher Präzision bestimmen. Theodor Hänsch, Leiter der Abteilung Laserspektroskopie am MPQ, erhielt für diese Erfindung 2005 den Nobelpreis für Physik.

Die Gruppe um Nathalie Picqué entwickelte am MPQ die „Zwei-Kamm-Spektroskopie“, die alle Spektrallinien eines Frequenzkammes verwendet, um eine Probe in einem breiten Spektralbereich zu untersuchen. Ein zweiter Frequenzkamm mit leicht unterschiedlichem Abstand liefert dann ein Interferenzmuster. Für die „hyperspektrale digitale Holografie“ nimmt eine Kamera die zeitliche Veränderung des Musters räumlich auf. Das könnte künftig eine dreidimensionale Metrologie ermöglichen und es erlauben, biologische Proben präziser zu mikroskopieren.

Für ihre herausragenden Beiträge zur hochauflösenden Breitband-Molekülspektroskopie mit Frequenzkämmen haben die DPG und die Société Française de Physique Nathalie Picqué im vergangenen Jahr mit dem Gentner-Kastler-Preis ausgezeichnet.

PTB / Kerstin Sonnabend

Weitere Informationen

• Helmholtz-Preis
• AG Schiller, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
• AG Picqué, Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Weitere Beiträge

• M. Pfalz, „Wir waren auf eine Goldmine gestoßen.“ – Interview mit den Gründern von Menlo Systems, Physik Journal, April 2022, S. 56 (PDF)
• Laudatio Gentner-Kastler-Preis 2021, Physik Journal, Februar 2021, S. 57 (PDF)
• A. Volkmer, Markierungsfrei und spektral aufgelöst, Physik Journal, Dezember 2013, S. 22 (PDF)
• S. Schiller, Die (fast) perfekte Welle, Physik Journal, Dezember 2012, S. 18 (PDF)
• S. Schiller und J.-P. Meyn, Von der Photonenspaltung zum kontinuierlich emittierenden Universallaser, Physik Journal, Juni 2002, S. 35 (PDF)