NEUN MAL KLÜGER – DIE GRÖSSTEN ENTDECKUNGEN

unsichtbares sichtbar

Atome kann man nicht sehen. Sie sind viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts oder die von Elektronen. So steht es in jedem Physikbuch. Das stimmte bis 1981. Dann bauten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM-Forschungszentrum in Zürich das erste Rastertunnelmikroskop, für das sie 1986 den Physik-Nobelpreis erhielten. Das tellergroße feinmechanische Meisterwerk besteht aus einer leitenden Nadel, die in geringem Abstand über eine metallische Oberfläche geführt wird. Obwohl sie sich nicht berühren, fließt ein sogenannter Tunnelstrom, dessen Stärke empfindlich vom Abstand abhängt. Auf diese Weise lassen sich winzige Erhebungen auf der Oberfläche – sogar Atome – sichtbar machen, wenn man Tunnelstrom und Abstand im Computer in ein Höhenprofil umrechnet. Direkt „sehen“ kann sie also auch das Rastertunnelmikroskop nicht, aber es macht sichtbar, was vorher als unsichtbar galt.

Binnigs und Rohrers Konstruktion gilt als Geburtsstunde der Nanotechnologie. Es regte viele Nachahmer zu weiteren Konstruktionen an, die nicht nur die Beobachtung von Atomen erlauben, sondern auch deren Manipulation. Heute lassen sich Atome „anfassen“ und zu Bildern verschieben. Das Arbeitspferd in jedem Nanolabor ist das Rasterkraftmikroskop, dessen Spitze wie die Nadel eines Plattenspielers über die Oberfläche fährt und durch die Ablenkung eines Laserstrahls die Höhenänderung misst. Viele weitere Varianten arbeiten mit schwingenden Nadeln ohne Kontakt zur Oberfläche, nutzen magnetische Nadeln oder Nadeln, die mit Chemikalien beschichtet sind.

Was: Rastertunnelmikroskop

Wer: Gerd Binnig, Heinrich Rohrer

Wo: IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich

Wie: Eine hauchdünne Nadel wird zeilenweise über eine Oberfläche geführt und der Tunnelstrom gemessen. Mehrere Sandwich-Böden mindern Vibrationen aus der Umgebung.

Warum: Sichtbarmachen von Atomen, Test quantenmechanischer Vorhersagen, Werkzeug für die Nanotechnologie

Kondensat für die Hosentasche

„Das war eine Art mathematischer Hexentrick“, sagt Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München, „man dachte lange, dass so etwas nicht wirklich existiert.“ Mit dem „Hexentrick“ meint Hänsch ein 16-seitiges Manuskript, das Albert Einstein 1924 verfasst hat und worin er sich auf Vorarbeiten des indischen Physikers Satyendranath Bose aus demselben Jahr bezieht. Es trägt den Titel „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases – Zweite Abhandlung“. Darin beschreibt Einstein einen extremen Aggregatzustand, bei dem sich die Atome in einem Gas nicht mehr unterscheiden lassen und sich wie ein einziges Quantenobjekt verhalten. Erst am 5. Juni 1995 gelang es den Amerikanern Carl Wieman – einst Doktorand von Hänsch – und Eric Cornell, ein Bose-Einstein-Kondensat herzustellen, indem sie einen Tropfen aus 2000 Rubidium-Atomen auf 20 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius abkühlten. Vier Monate später zog der Deutsche Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge nach und präsentierte zwei Jahre danach sogar den ersten Atom-Laser, der kleine Tropfen aus kondensierten Natrium-Atomen abgab. Alle drei erhielten 2001 den Physik-Nobelpreis.

Während Ketterles Apparatur am MIT noch ein Wust aus Vakuum-, Kühl-, Laser- und Elektronikkomponenten war, die einen ganzen Raum füllten, passt Hänschs Apparatur am Max-Planck-Institut für Quantenoptik heute auf einen Schreibtisch. Das Kondensat wird in einem kleinen Plastikwürfel von einem nur briefmarkengroßen Chip erzeugt, der den Atombrei mittels magnetischer Felder und Mikrowellen in der Schwebe hält. Ein Bose-Einstein-Kondensat für die Hosentasche – laut Hänsch ist das kein Hirngespinst mehr.

Was: Bose-Einstein-Kondensat

Wer: Carl Wieman, Eric Cornell, Wolfgang Ketterle

Wo: National Institute of Standards and Technology, University of Boulder in Colorado, Massachusetts Institute of Technology in Cambridge

Wie: Laserkühlung von Rubidium-Atomen, Einfangen in einer magneto-optischen Falle, weiteres Abkühlen durch Entfernen der heißesten Atome

Warum: Beweis der Vorhersage von Bose und Einstein, Untersuchung exotischer Quantenzustände

WIDERSTAND ZWECKLOS

Von der Entdeckung zum Nobelpreis in einem Jahr – das ist in der Physik äußerst selten. Meist liegt die wissenschaftliche Meisterleistung Jahrzehnte zurück, bis sich das Nobelkomitee zur Auszeichnung eines inzwischen ergrauten älteren Herrn durchringen kann. Nicht so bei Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller. Sie hatten am IBM Forschungsinstitut in Zürich mit Keramiken experimentiert und 1986 an einer Verbindung aus Lanthan-Barium-Kupferoxid bei einer Temperatur von 35 Kelvin (minus 238 Grad Celsius) Supraleitung entdeckt. Ein Wettlauf um immer höhere „Sprungtemperaturen“ entbrannte, und schon ein Jahr später erhielten die beiden den Physik-Nobelpreis.

Seit dem Jahr 2000 steht der Rekord für Hochtemperatur-Supraleiter bei 139 Kelvin (minus 134 Grad Celsius). Dieser Stoff verliert seinen elektrischen Widerstand bereits, wenn man ihn mit billigem flüssigen Stickstoff statt mit teurem flüssigem Helium kühlt. Abgekühlt ist auch der Hype um das Forschungsgebiet. Statt die Sprungtemperatur immer weiter nach oben zu treiben, machen die Physiker nun ihre Hausaufgaben, indem sie untersuchen, wie Hochtemperatur-Supraleitung funktioniert.

Bei den Unternehmen ist trotz bisher unerfüllter Versprechungen die Hoffnung groß, eines Tages Kabel, Magnete und Elektromotoren zu bauen, die enorme Ströme ohne Verluste verkraften. Unterirdische Kabel könnten mit Supraleitung die bis zu fünffache elektrische Leistung übertragen, im Labor fließen bereits eine Million Ampere durch einen Quadratzentimeter Leiterquerschnitt. Doch solche Kabel sind spröde und noch nicht kilometerlang herzustellen.

Was: Hochtemperatur-Supraleitung (bei Temperaturen über minus 248 Grad Celsius)

Wer: Johannes Georg Bednorz, Karl Alexander Müller

Wo: IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich

Wie: Sintern („Backen“ bei hohen Temperaturen) von keramischen Materialien

Warum: Verlustfreier Stromtransport spart enorme Mengen Energie und erzeugt hohe Magnetfelder.

WAAGE FÜR NEUTRINOS

Sie sind allgegenwärtig und doch schwer zu greifen: Neutrinos halten die Physiker in Atem, seit Wolfgang Pauli sie 1930 vorhergesagt hat und sie 1957 experimentell nachgewiesen wurden. Doch lange Zeit war unklar, ob die Geisterteilchen eine Masse haben oder schwerelos durchs All schwirren – ausgesandt von unserer Sonne oder anderen energieproduzierenden Prozessen im Universum. Seit 1998 herrscht nahezu Gewissheit, dass Neutrinos eine – wenn auch winzige – Masse haben. In dem 40 Meter hohen und ebenso dicken Wassertank des Super-Kamiokande-Experiments in der stillgelegten Kamioka-Mine fingen japanische Forscher damals das schwache Licht auf, das die Neutrinos beim Abbremsen in Wasser hinterlassen. Sie wiesen nach, dass die drei Neutrino-Sorten sich ineinander umwandeln können, was nur möglich ist, wenn sie eine Masse haben.

Diese Neutrino-Oszillationen lösen ein Problem, das die Physiker lange beschäftigt hatte: Von der Sonne gelangt ein Drittel weniger Neutrinos auf die Erde, als sie das Sonnenfeuer nach dem gängigen Modell aussendet. Des Rätsels Lösung: Die Summe der Neutrinos stimmt, doch durch Oszillationen ändert sich der Anteil der drei Sorten, und da die ersten Detektoren nur eine einzige Sorte nachweisen konnten – die Elektron-Neutrinos –, schien ein Teil der Neutrinos in der Gesamtbilanz zu fehlen.

Wie groß die Masse der Neutrinos ist, wollen Wissenschaftler des Münchener Max-Planck-Instituts für Physik anhand des neutrinolosen Doppelbeta-Zerfalls bestimmen. Der ist extrem selten: Eine Million Milliarden Milliarden Jahre – 100 000- mal das Alter des Universums – dauert es, bis die Hälfte eines Stoffs auf diese Weise zerfällt.

Um ihn zu beobachten und die Neutrinomasse zu messen, bauen die Physiker des MPP im Untergrundlabor im italienischen Gran-Sasso-Massiv das Experiment GERDA (GERmanium Detector Array) auf. In einem Tank von vier Metern Durchmesser werden hochreine Zylinder aus Germanium-Kristallen in minus 170 Grad Celsius kaltes flüssiges Argon getaucht. Innerhalb von drei Jahren wollen die Physiker genügend Zerfälle beobachtet haben, um die Existenz des neutrinolosen Doppelbeta-Zerfalls zweifelsfrei belegen und eine Aussage über die Masse der Neutrinofamilien machen zu können.

Was: Neutrinos haben eine Masse

Wer: Universität Tokio

Wo: Ein Kilometer unter der Erde in der Kamioka-Mine nahe Tokio

Wie: 40 mal 40 Meter großer Wassertank mit 13 000 lichtempfindlichen Detektoren

Warum: Nachweis von Neutrino-Oszillationen als Hinweis auf Neutrino-Masse

der kleine unterschied

Robert Langdon blickte durch das Okular. Das Objekt schwebte in der Mitte, eine schimmernde Kugel aus einer quecksilberähnlichen Flüssigkeit, wie von Magie gehalten. „Das ist auch besser so“, erwiderte Vittoria Vetra. „Wenn Antimaterie und Materie miteinander in Berührung kommen, werden beide augenblicklich zerstört.“ Die Befürchtung der jungen Physikerin wird in Dan Browns rasantem Thriller „Illuminati“ beinahe schreckliche Wirklichkeit: Nur knapp entgeht Rom der Zerstörung durch den größenwahnsinnigen Sekretär des Papstes. 600 Seiten und etliche Morde später zerplatzt die Antimateriebombe hoch über dem Vatikan, ohne Schaden anzurichten. Die Antimaterie des Terror-Theologen im Roman stammt vom europäischen Kernforschungszentrum CERN. Das ist immerhin ein Fünkchen Wahrheit in dem ansonsten abstrusen Werk. 1995 gelang es einer CERN-Arbeitsgruppe um den deutschen Physiker Walter Oelert zum ersten Mal, Antiwasserstoff herzustellen. Statt aus Proton und Elektron besteht das Spiegel-Atom aus Antiproton und Positron. Die Suche nach der Symmetrie von Materie und Antimaterie soll letztlich die Frage beantworten, warum wir eigentlich existieren. Denn beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren müsste eigentlich ebenso viel Antimaterie entstanden sein wie Materie. Beide hätten zu Energie zerstrahlen müssen, ohne ein Körnchen Materie übrig zu lassen. Doch von jeweils rund 10 Milliarden Teilchen, die mit ihren Antiteilchen verschmolzen, blieb im Schnitt nur eines übrig. Diesen winzigen Materieüberschuss, aus dem Galaxien, unser Sonnensystem und wir Menschen entstanden sind, verdanken wir einer kleinen Asymmetrie. Aber welcher? Weitere Experimente am CERN sollen unter anderem klären, ob die Gravitationskonstante beim Antiwasserstoff geringfügig von der beim normalen Wasserstoff abweicht.

Was: Erstes Antiwasserstoff-Atom

Wer: Deutsch-italienisches Team unter der Leitung von Walter Oelert

Wo: Low Energy Antiproton Ring am Europäischen Kernforschungszentrum CERN, Genf

Wie: Einsperren von Antiprotonen und Positronen in kompliziert verschachtelten Magnetfeldern

Warum: Erforschung des Unterschieds von Materie und Antimaterie sowie der Asymmetrie nach dem Urknall

SCHWERGEWICHTE

1999 hatte die Meldung für Aufsehen gesorgt: US-Physiker vom Lawrence Berkeley National Laboratory berichteten, sie hätten die Elemente mit den Ordnungszahlen 116 und 118 erzeugt und nachgewiesen. Drei Jahre später dann die Ernüchterung: „Wir ziehen unsere Veröffentlichung der Synthese von Element 118 zurück“, meldete das Labor. Unabhängige Überprüfungen hatten ergeben, dass wohl Daten manipuliert wurden, ein Wissenschaftler wurde gefeuert. Das Eingeständnis war der unrühmliche Höhepunkt des Wettlaufs um immer schwerere Elemente zwischen US-Wissenschaftlern und ihren Kollegen von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, der auch die Medien in Atem hielt.

Mittlerweile ist es still geworden um die Transurane, jene Elemente im Periodensystem, die schwerer sind als Uran und folglich so schnell zerfallen, dass sie nicht natürlich vorkommen, sondern durch Verschmelzung von Atomkernen im Labor erzeugt werden müssen. Dennoch hat sich die Anstrengung gelohnt – zumindest für die GSI, wo zwischen 1981 und 1996 die Elemente 107 bis 112 entdeckt wurden. Abgesehen von 112 haben alle neuen Elemente einen Namen: Bohrium (107), Hassium (108), Meitnerium (109), Darmstadtium (110) und Roentgenium (111). Für die Elemente 113 bis 116 sowie 118, die ebenfalls bei der GSI hergestellt wurden, steht eine Bestätigung durch andere Forschergruppen noch aus. Gerade diese sehr schweren Elemente sind interessant, weil sie laut Theorie stabiler sein sollen als ihre leichteren Brüder. Manche Forscher hoffen sogar auf superschwere Materialien mit unbekannten Eigenschaften.

Eine neue Methode zur Fusion der schweren Kerne, die derzeit bei der GSI getestet wird, könnte für neuen Schwung sorgen. Die Physiker schießen leichte Atomkerne, etwa Magnesium, auf schwere Kerne, allerdings mit so geringer Energie, dass sich die Abstoßung zwischen den Kernen eigentlich nicht überwinden lässt. Doch manchmal gelingt die Verschmelzung trotzdem, offenbar weil die schweren Kerne „Dellen“ haben, an denen der leichtere Kern andocken kann.

Was: Erzeugung der superschweren Elemente 107 bis 118

Wer: Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI)

Wo: Darmstadt

Wie: Beschuss schwerer Atomkerne mit leichten Kernen im Schwerionenbeschleuniger

Warum: Verständnis der Bildung von chemischen Elementen und der Vorgänge im Inneren von Sternen; superschwere Materialien

BEAMEN FÜR ANFÄNGER

„Beam mich hoch, Scotty!“ Sphärenmusik ertönt, die Konturen Captain Kirks verschwimmen und tauchen Sekunden später an Bord von Raumschiff Enterprise wieder auf. Als Anton Zeilinger 1997 an der Universität Innsbruck als Erster Eigenschaften von Photonen teleportierte, glaubten nicht nur Star-Trek-Fans, dass das Beamen von Materie demnächst möglich sei. Ist es aber nicht – und wenig spricht dafür, dass es jemals möglich sein wird. Zeilinger und andere Physiker übertragen lediglich die Eigenschaften von einem Quantenobjekt auf ein anderes. Das geht, weil sich diese verschränken lassen und so auf spukhafte Weise über beliebige Distanzen verbunden bleiben. Misst man beispielsweise die Polarisation eines Photons, nimmt ein mit ihm verschränktes Photon automatisch den komplementären Zustand an – selbst wenn es sich am anderen Ende des Universums befände. Wichtig: Dabei wird keine Information ausgetauscht, eine Beschränkung durch die Lichtgeschwindigkeit gibt es also nicht. Andererseits lässt sich deshalb auch keine Materie transportieren, nicht einmal die von Captain Kirk. Immerhin ist es Physikern am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen 2006 gelungen, den Zustand von Licht auf Materie zu übertragen. Inzwischen zeichnen sich Anwendungen für die Quantenteleportation ab. So lassen sich verschränkte Photonen zur geheimen Datenübermittlung über Glasfaserleitungen nutzen. Wird die Leitung abgehört und damit der Zustand eines Photons gemessen, macht sich das am Zwillingsphoton beim Sender bemerkbar. Anfang 2008 gelang es Physikern der Universität Heidelberg, solche Quantenbits sogar für einige Mikrosekunden zu speichern – ein wichtiger Schritt zum Quantencomputer.

Was: Teleportation von Quantenzuständen

Wer: Anton Zeilinger

Wo: Universität Innsbruck

Wie: Erzeugung von Zwillingsphotonen mit einem Laser in einem optischen Kristall

Warum: Bestätigung der Quantentheorie, Grundlage für Quantenkryptographie und Quantencomputer

KARRIERE MIT KOHLENSTOFF

Wer den Nobelpreis will, sollte englisch publizieren. Nirgends hat sich diese Regel so bewahrheitet wie bei der Entdeckung der kugelförmigen Kohlenstoff-Moleküle, auch Buckyballs oder Fullerene genannt. 1996 erhielten Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley den Nobelpreis für Chemie, weil sie 1985 im Fachmagazin Nature eine Arbeit über die Kohlenstoff-Bälle veröffentlicht hatten. Dass es neben Diamant und Graphit noch eine dritte Variante von Kohlenstoff geben muss, hatte schon viel früher Eiji Oosawa erkannt, das jedoch in japanischer Sprache veröffentlicht. Noch verworrener ist die Lage bei den Kohlenstoff-Röhrchen, die wohl bereits 1952 von russischen Physikern entdeckt und seither von verschiedenen Gruppen immer wieder hergestellt worden waren. Doch erst der Hype um die Bälle in den 1990er-Jahren hat auch die Röhrchen in Mode gebracht – einen Nobelpreis gab es dafür allerdings noch nicht.

Den neuen Kohlenstoff-Molekülen ging es so wie vielen Entdeckungen. Enorme Hoffnungen auf schusssichere Westen, unvorstellbar kleine Schaltkreise, Speicher für Wasserstoff oder gar Kabel für Aufzüge ins All wurden geweckt, aber bisher nicht erfüllt. Dennoch sind die neuen Kohlenstoff-Moleküle nach wie vor ein bedeutender Forschungszweig in der Physik, an dem auch das Interesse vor allem der Computerindustrie ungebrochen ist. Heute lassen sich Bälle und Röhrchen säckeweise herstellen und als Kompositmaterial verwenden, etwa für den Bau von extrem leichten und bruchsicheren Fahrradlenkern. Ein brandneues Forschungsfeld sind Graphene – Schichten aus Kohlenstoff, die nur eine Atomlage dünn sind. Im Prinzip sind sie nichts anderes als Kohlenstoff-Röhrchen, nur eben in eine Fläche abgerollt. Die Herstellung ist einfach: Ein Stück Graphit mehrmals auf ein Klebeband drücken – fertig. Die simple Technik wurde von Physikern der Universität Manchester erfunden. Damit lebt die Hoffnung auf einen Ersatz von Silizium in der Halbleitertechnik wieder auf.

Was: Bälle aus 60 und mehr Kohlenstoff- Atomen, Röhrchen aus Kohlenstoff

Wer: Mehrere Wissenschaftler; 1996 Nobelpreis für Chemie für Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley

Wo: Mehrere Orte

Wie: Verdampfen (durch Lichtbogen oder Laser) und Kondensieren von Graphit

Warum: Herstellung neuer Materialien für eine Fülle von Anwendungen

scheuer bolide

Es ist so schwer wie Gold, aber unsichtbar, und seine Herstellung kostet mehr als ein paar Goldbarren. Die Rede ist vom Top-Quark, eines der sechs Mitglieder der Quark-Familie, die das Standardmodell der Teilchenphysik schon 1961 vorhersagte. Während fünf der Quarks bis 1980 entdeckt wurden, widersetzte sich das Top-Quark bis 1995, bis es endlich am Beschleuniger des Fermilab in Chicago durch Kollision von Protonen und Antiprotonen erzeugt wurde. Mit 172,5 Gigaelektronenvolt ist das Top-Quark zwar fast so schwer wie ein Gold-Atom, zerfällt aber nach 10 bis 24 Sekunden wieder und ist deshalb nur schwer und indirekt anhand seiner Zerfallsprodukte nachzuweisen. Diese Bruchstücke könnten noch viele Rätsel bergen. Denn Quarks gelten im wahrsten Sinne des Wortes als Elementarteilchen, also als unteilbar. Ob das stimmt, soll der Large Hadron Collider untersuchen, der gerade am CERN in Genf in Betrieb ging. Vielleicht, so die Hoffnung, entstehen beim Zerfall des Top-Quarks unbekannte supersymmetrische Teilchen, wie sie erweiterte Theorien des Standardmodells vorhersagen.

Was: Entdeckung des Top-Quarks

Wer: Physiker am Fermilab

Wo: Chicago

Wie: Kollision von Protonen und Antiprotonen hoher Energie im Tevatron-Beschleuniger

Warum: Komplettierung des Standardmodells der Teilchenphysik, Suche nach supersymmetrischen Teilchen

Bernd Müller ist Physiker und ehemaliger bdw-Redakteur. Seit vielen Jahren schreibt er über LHC, ITER & Co.

Internet

Infos zu vielen Forschungsthemen in der Physik: www.weltderphysik.de

Deutsche Physikalische Gesellschaft www.dpg-physik.de

Die offizielle Seite der Nobelpreis- Organisation mit allen Preisträgern: www.nobelpreis.org

Max-Planck-Institut für Quantenoptik: www.mpq.mpg.de

Forschungslabor der IBM in Zürich: www.zurich.ibm.com

GERDA-Experiment des Max-Planck- Instituts für Physik: wwwgerda.mppmu.mpg.de

Homepage der Gesellschaft für Schwerionenforschung: www.gsi.de

Artikel über das Top-Quark: www.interactions.org/cms/?pid=1014993

Homepage von Theodor W. Hänsch und seiner Forschungsgruppe: www.mpq.mpg.de/~haensch/