Vom Kassenscanner im Supermarkt über die optische Datenübertragung und Nanotechnologie bis hin zur Fahndung nach Gravitationswellen – Laser sind aus Alltag und Wissenschaft heute nicht mehr wegzudenken. Einer der wichtigsten Vorteile des Lasers sind seine hohe Intensität und sein kohärentes Licht: Es schwingt parallel und quasi im Gleichtakt, gleichzeitig ist der Strahl extrem eng gebündelt und damit scharf.
Eine Pinzette aus Licht
Schon kurz nach der Erfindung des Lasers Mitte der 1960er Jahre begann der an den Bell Laboratorien arbeitende US-Physiker Arthur Ashkin, mit dieser neuen Form des Lichts zu experimentieren. Seine Überlegung: Vielleicht würde sich der Strahl parallelen und kohärenten Lichts dazu eignen, kleine Objekte zu bewegen und zu manipulieren – ähnlich wie der Traktorstrahl in der damals neu ausgestrahlten Science-Fiction-Serie “Star Trek”. Bekannt war damals bereits, dass Licht einen Strahlungsdruck ausübt: Die auf eine Fläche oder ein Objekt treffenden Photonen üben eine Kraft aus, die beispielsweise den Schweif eines Kometen zur sonnenabgewandten Seite drückt oder ein Lichtsegel im All vorwärtstreiben kann. Als Ashkin daher winzige transparente Kugeln in den Laserstrahl gab, war er kaum überrascht, als sie sich in Richtung des Lichtstrahls bewegten.
Unerwartet war dagegen ein zweiter Effekt: Die Kügelchen drifteten immer in die Mitte des Laserstrahls – selbst als Ashkin sie in dessen Außenbereich setzte. Wie er feststellte, lag dies daran, dass die Intensität des Laserstrahls in seiner Mitte am höchsten ist. Gradientkräfte sorgen deshalb dafür, dass Objekte stets an die Stelle höchster Intensität des Lasers gelenkt werden. Diese Beobachtung war für Ashkin der Ansatzpunkt: Könnte sich dieser Effekt möglicherweise nutzen lassen, um Objekte im Lichtstrahl festzuhalten und sogar kontrolliert zu “greifen” und zu manipulieren? Ashkin und sein Team fanden heraus, dass man durch Einbringen einer starken Mikroskoplinse den Laserstrahl so fokussieren kann, dass die Gradientkraft zu einer Falle für kleinste Objekte wird. Diese werden im Punkt der höchsten Laserintensität festgehalten und selbst der Vorwärtsstrom der Lichtteilchen reißt sie nicht mehr mit sich – die optische Pinzette war erfunden. 1986 gelang es Ashkin mit dieser Pinzette aus Licht erstmals, einzelne Atome festzuhalten und gezielt zu bewegen. Wenig später verfeinerte er die Methode soweit, dass sogar sensible Objekte wie Viren, Bakterien und andere lebende Zellen in der Laserpinzette gefangen werden konnten.
Heute sind optische Pinzetten aus der Forschung kaum mehr wegzudenken. Mit ihnen manipulieren Wissenschaftler das Erbmolekül DNA, setzen Nanokonstrukte Atom für Atom zusammen oder erforschen die Prozesse im Inneren von Zellen. Zumindest im winzigen Maßstab ist damit der Traktorstrahl der Science-Fiction Wirklichkeit geworden.
