09.05.2018

Am Limit der Zeit

In Wien konnten 2001 erstmals Attosekunden-Lichtblitze erzeugt werden. Das war die kürzeste je gemessene Zeitspanne. Ferenc Krausz, dem dieser Durchbruch gelungen ist, erklärte bei einer Schrödinger Lecture an der ÖAW, wie die neue Technologie eines Tages für die Medizin eingesetzt werden könnte.

Ein Gebiet der Quantenoptik befasst sich damit, ultrakurze Laserpulse zu messen und zu erzeugen. Und somit ultraschnelle Bewegungen von Elektronen beobachten zu können. Je kürzer ein Lichtstrahl, umso genauere Einblicke erhält man in Vorgänge im atomaren Bereich. Dem Wittgenstein-Preisträger Ferencz Kraucz gelang es 2001 mit seiner Forschungsgruppe an der TU Wien erstmals einen Lichtpuls von weniger als einer Femtosekunde Dauer zu erzeugen. Dieser Durchbruch markierte den Beginn der sogenannten Attosekundenphysik. Seine neuesten Forschungsergebnisse und mögliche Anwendungsmöglichkeiten für die Medizin präsentierte der heutige Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching kürzlich bei einer Schrödinger Lecture an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).

Imaginäre Raumstation im All

Um die Leistungsfähigkeit seiner Instrumente zu veranschaulichen, katapultierte Krausz zunächst die Zuhörer auf eine imaginäre Raumstation ins All. „Wir versuchen uns nun vorzustellen, dass wir auf dieser Weltraumstation ein Teleskop haben, mit dem wir zunächst die italienische Halbinsel beobachten können. Mit zunehmender Vergrößerung können wir immer feinere Strukturen erkennen und sehen etwa San Marco, wo wir versuchen einen Regentropfen zu vergrößern. Dafür würde man das größte Teleskop der Welt benötigen – dieses ist beinah so groß wie eine ägyptische Pyramide und wird gerade in Chile gebaut. Mit diesem könnte man Regentropfen aus 1000 km Entfernung sichtbar machen“, erklärte Krausz dem Publikum.

Wie ist es nun bei uns auf der Erde auf atomarer Ebene möglich, die kleinsten Details mit vergleichbarer Präzision sichtbar zu machen? Dafür ist eine „Dehnung der Zeit“ nötig. Mit einer Zeitvergrößerung von 103 können wir etwa die Flügelbewegung von Fliegen beobachten, mit 1011 ist es möglich in die atomare Welt vorzustoßen und die Rotation von Elektronen sichtbar zu machen. Bei 1015 können Elektronen verlangsamt und mit unseren Augen verfolgt werden.

0,000000000000000001 Sekunden

Zur Erinnerung: Elektronen sind negativ geladene Teilchen und werden von der positiven Ladung des Kerns angezogen. Die Aufgabe von Elektronen ist es, Atome zu binden, um die Bausteine der Materie und Lebewesen zu bilden. Vorhersagen lässt sich nur die Wahrscheinlichkeit der Lage der Elektronen, die durch eine Wolke repräsentiert wird. Die Bewegung der Elektronen manifestiert sich in der Verformung der Wolke und wird durch die Schrödingergleichung beschrieben, welche die Zeitentwicklung eines quantenmechanischen Zustands darstellt. Doch die Gleichung ist nur für wenige Systeme anwendbar.

Krausz ist deswegen überzeugt: „Wir müssen vereinfachte Modelle aus dieser Gleichung entwickeln. Wie ist es möglich die Lage von Elektronen zu erfassen?“ Seine Lösung: „Um schnelle Bewegungen sichtbar zu machen, müssen diese in Momentbildern festgehalten und aus diesen die Bewegung in Zeitlupe wiedergegeben werden.“

Anders als bei der Zeitdehnung geht es nun also um eine massive „Verkürzung der Zeit“. Die Verschlusszeit einer Kamera muss so kurz sein, dass sich das Objekt während des Abblitzens kaum bewegt. Um solche Attosekunden-Bewegungen sichtbar zu machen, sind Attosekunden-Blitze notwendig – und diese zur erzeugen, ist Krausz und seinem Team gelungen. Unglaublich schnell vergehende 10-18 Sekunden dauern diese.

Anwendung in der Medizin

Geht es nach Krausz, sollen solche Lichtblitze zukünftig auch in der Krebsbehandlung eingesetzt werden. Wie das funktionieren könnte, erklärte er an der ÖAW: „Eine Blutprobe kann mit einer ultrakurzen, infraroten Laserwelle, bestrahlt werden, was die Moleküle in Schwingung bringt und sie dann kohärente Strahlung aussenden lässt. Bei 1000-facher Vergrößerung wird dies sichtbar. Dieses Signal liefert wiederum Informationen über die Schwingungen der Moleküle, die sehr spezifisch sind und so können kleinste Veränderungen in der Probe erkannt werden.“

Für die Behandlung von Krebs würde dies einen bedeutenden Vorteil bringen. Denn so könnten tägliche Bluttests durchgeführt und die Reaktion der Tumore auf die Therapie bestimmt werden. Dadurch könnte man die Behandlung an das aktuelle Krankheitsstadium anpassen – ein entscheidender Schritt in Richtung personalisierter Krebstherapie.