Eiskalte Mechanik

Der Physiker Tobias J. Kippenberg erhält den Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis 2015

03.12.2015

Am absoluten Nullpunkt stehen die Atome still. Diesen Zustand nutzte der Physiker Tobias J. Kippenberg von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne für die Entwicklung der preisgekrönten optomechanischen Laserkühlung.
Am absoluten Nullpunkt stehen die Atome still. Diesen Zustand nutzte der Physiker Tobias J. Kippenberg von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne für die Entwicklung der preisgekrönten optomechanischen Laserkühlung. 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 Technischen 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 minus 272,55 Grad Celsius 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 und 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.

Am absoluten Nullpunkt – bei minus 273,15 Grad Celsius – 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 für 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 erhielt Tobias Kippenberg vor zwei Wochen den diesjährigen Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis. 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“.

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Schon als Schüler entwickelt Tobias J. Kippenberg einen Eis-Sensor für Fahrzeuge

Tobias Kippenberg wuchs in den Niederlanden und in Bremen auf. Naturwissenschaftlich „vorbelastet“ war er nicht – sein Vater ist 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 es schießt ihm durch den Kopf: Gibt es 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 wäre 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. „Ich wollte später auch einmal die Chance haben, auf so einem beeindruckenden Campus zu studieren.“

Der Physik-Leistungskurs-Schüler macht sich umgehend an die Arbeit und entwickelt das, was gefehlt hat. Mit seinem Eis-Sensor für Fahrzeuge – bestehend aus einer Mikrowellenquelle und einem Infrarotlaser – belegt er 1996 nicht nur den ersten Platz im Wettbewerb „Jugend forscht“, sondern gewinnt auch beim „European Union Contest for Young Scientists“ in Helsinki. „Ich bekam 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 Max-Planck-Institut 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“, sagt Kippenberg. „Das war eine spannende und äußerst lehrreiche Zeit.“ Theodor Hänsch ist 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 Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne, 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.“

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Mit dem Klung-Wilhelmy-Wissenschaftspreis werden junge Spitzenforscher ausgezeichnet. Die Ehrung wird im Rahmen einer Kooperation zwischen der Otto-Klung-Stiftung an der Freien Universität und der Dr.-Wilhelmy-Stiftung im jährlichen Wechsel an Physiker und Chemiker vergeben. Die Auswahl der Preisträger erfolgt durch ständige Kommissionen am Institut für Chemie und Biochemie sowie am Fachbereich Physik der Freien Universität, ergänzt um Professoren anderer Hochschulen. Fünf der bisherigen Preisträger haben inzwischen den Nobelpreis erhalten – die Physiker Theodor W. Hänsch, Gerd K. Binnig, Horst L. Störmer und Johann Georg Bednorz sowie der Chemiker Hartmut Michel. Weitere wurden mit anderen bedeutenden nationalen und internationalen Auszeichnungen geehrt.