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Eiskalte Mechanik

Tobias J. Kippenberg erhält den Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis 2015 / Preisverleihung am 19. November um 17 Uhr

22.10.2015

Der Physiker Tobias J. Kippenberg wird am 19. November mit dem Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis 2015 ausgezeichnet.
Der Physiker Tobias J. Kippenberg wird am 19. November mit dem Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis 2015 ausgezeichnet. Bildquelle: Valerie Chetelat

Fährt man mit dem Finger über den Rand eines leeren Weinglases, entsteht ein Klang. Ursache dafür sind Schwingungen. Sie entstehen, weil sich das Glas durch die Berührung periodisch minimal ausdehnt und zusammenzieht. Tobias Kippenberg, Professor am Labor für Photonik und Quantenmessung der Eidgenössischen Hochschule Lausanne, verwendet für seine Mechanik-Experimente anstelle von Weingläsern winzig kleine Glasobjekte, die wie Räder aussehen. Die Größe dieser sogenannten Mikroresonatoren entspricht dem Zehntel des Durchmessers eines Haares.

„Während ein Weinglas typischerweise rund 1000 Mal pro Sekunde schwingt, tut es ein mikromechanisches System wie dieser Glas-Torus fast 100 Millionen Mal“, erklärt der Physiker. Auf einem Chip wird das Glasrädchen an einen Laser gekoppelt und das Ganze auf -272,55 °C abgekühlt – nur 0.6 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Trotz der tiefen Temperaturen schwingt das Rädchen ganz leicht. Aber mit dem Laser gelingt es Kippenberg, diese Zitterbewegung weiter zu dämpfen. Während das winzige Objekt schwingt, wird Laserlicht mittels einer hauchdünnen optischen Glasfaser in den Torus gelenkt. Der Lichtstrahl ist im Rädchen regelrecht gefangen, läuft im Kreis. Das Photonen-Bombardement übt dabei Druck auf das Objekt aus – Strahlungsdruck, wie Physiker sagen – und wirkt so den minimalen Schwingungen entgegen. Die Folge: Das Rädchen kühlt weiter ab. Optomechanische Laserkühlung nennt sich dieses Prinzip, das Kippenbergs Team entwickelt hat.

Wenn die Atome still stehen

Am Absoluten Nullpunkt – bei minus 273,15 °C – hört theoretisch jegliche Bewegung auf. Die Atome stehen absolut still. Einzig die subatomaren Teilchen, die Quanten, aus denen die Atome bestehen, fluktuieren noch und verursachen den Hauch eines Zitterns. Für Atome und einzelne Moleküle wurden diese Quantenfluktuationen bereits nachgewiesen und vermessen. Nicht aber für vergleichsweise riesige Objekte aus einigen Millionen Atomen, wie diesen mikromechanischen Glas-Torus. Dank Kippenbergs Experimenten wird dies nun möglich. Die durch die mechanische Bewegung erzeugte Änderung der Resonanzfrequenz des Laserlichts ist zwar minimal, reicht aber aus, um winzigste Änderungen der Bewegung des Objekts exakt messen zu können.

Für seine Forschung auf dem Gebiet der Resonator-Optomechanik wird Tobias Kippenberg am 19. November mit dem diesjährigen Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis geehrt. Die mit 75 000 Euro verbundene Auszeichnung wird im jährlichen Wechsel an Physiker und Chemiker verliehen und gehört zu den höchstdotierten, privat finanzierten Preisen für junge deutsche Spitzenforscher. Die Jury würdigt mit der Auszeichnung Kippenbergs „bahnbrechende Arbeiten zur Wechselwirkung von Licht mit Mikro- und Nanomechanischen Systemen“.

Tobias Kippenberg wuchs in den Niederlanden und in Bremen auf. Naturwissenschaftlich „vorbelastet“ war er nicht – sein Vater ist Vergleichender Religionswissenschaftler, die Mutter Lehrerin für Englisch und Erdkunde. Nein, er fiel 1994 buchstäblich über die Physik. An einem Wintermorgen, als er sich wie üblich mit dem Rad auf den Schulweg macht, gerät er unvermutet auf Glatteis und landet unsanft auf dem Asphalt. Schimpfend rappelt er sich auf und ihm schießt durch den Kopf: Gibt’s denn keine Sensoren, die den Straßenzustand anzeigen können? Wie soll denn ein Autofahrer Glatteis erkennen, wenn ich das schon als Radfahrer nicht kann? Nein, so etwas gab es nicht – aber das wär doch mal was!

Der Abiturient sucht in der Bibliothek nach Literatur über die Wechselwirkung von Licht und Materie und stößt dabei auf Studien des California Institute of Technology (CalTech) zur Untersuchung von Polareis mittels Radartechnik. Amerikanische Forschungseinrichtungen hatten es Kippenberg ohnehin angetan, denn ein Jahr zuvor hatte die Familie den Vater für ein halbes Jahr nach Princeton begleitet. „Auf so einem beeindruckenden Campus wollte ich später auch einmal die Chance haben zu studieren.“ Der Physik-Leistungskurs-Schüler macht sich umgehend an die Arbeit und entwickelt das, was fehlte. Mit seinem Eis-Sensor für Fahrzeuge – bestehend aus einer Mikrowellenquelle und einem Infrarotlaser – belegt er 1996 nicht nur den ersten Platz bei Jugend forscht, sondern gewinnt auch beim European Union Contest for Young Scientists in Helsinki. „Ich bekam damals sehr positive Rückmeldung und war verblüfft, wie leicht man in Kontakt mit echten Forschern kommt“, erinnert er sich. Sogar Daimler-Benz rief an und meldete gemeinsam mit ihm ein Patent an.

Tobias Kippenberg entschließt sich, Physik und Elektrotechnik in Aachen zu studieren. Nach dem Vordiplom 1998 geht sein Traum in Erfüllung: Er erhält eine der begehrten Promotionsstellen am CalTech in Pasadena, wo er sechs Jahre bleibt und über optische Mikroresonatoren promoviert. Mit einem Angebot, eine Max-Planck-Nachwuchsgruppe am MPI für Quantenoptik in München-Garching aufzubauen, kehrt er 2005 nach Deutschland zurück. „Ich kam in die Abteilung von Theodor Hänsch, der drei Monate später den Nobelpreis erhielt. Das war eine spannende und äußerst lehrreiche Zeit.“ Theodor Hänsch ist übrigens ebenfalls Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreisträger.

In München entwickelt Kippenberg die grundlegenden Experimente für die optomechanische Laserkühlung und Präzisionsmessungen von mechanischen Systemen. 2009 folgt er dem Ruf auf eine Assistenz-Professur an die École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), wo er seit 2013 Professor am Institut für Festkörperphysik ist.

Was wünscht er sich noch für seine Karriere? „Eigentlich nichts“, sagt der 39-Jährige. „Kalifornien, München, Lausanne am Genfer See. Ich hatte immer das Glück, an tollen Orten zu leben und zu forschen. Und es gibt nichts Aufregenderes, als in der Pionierphase eines neuen Forschungsfeldes ganz vorn mit dabei zu sein.“ In den kommenden zehn Jahren hofft Tobias Kippenberg, die Quantentheorie auf der makroskopischen Skala beweisen zu können. Gleichzeitig hat er aber auch die Anwendung im Blick. „Wir wollen zeigen, dass die hohe Empfindlichkeit für neue Technologien sehr nützlich ist“, sagt er, „vielleicht nicht im Alltag, denn im Smartphone genügen weit weniger empfindliche Bewegungssensoren, aber für Spezialanwendungen.“

Weitere Informationen

Verleihung des Klung-Wilhelmy-Wissenschafts-Preises

Zeit: 19. November 2015 um 17 Uhr

Ort: Henry-Ford-Bau der Freien Universität Berlin, Garystraße 35, 14195 Berlin

Die Veranstaltung ist öffentlich. Der Eintritt ist frei. Um Anmeldung unter einladung@fu-berlin.de wird gebeten.