Arthur Ashkin: Das Leben mit Licht festhalten

Im Alter von zehn Jahren, im Brooklyn der Weltwirtschaftskrise, war Arthur Ashkin von einem Crookes-Radiometer fasziniert – jener kleinen Glaskugel mit schwarz-weißen Flügeln, die sich dreht, wenn man Licht darauf wirft. Er fand heraus, dass nicht das Licht selbst, sondern die Wärme für den Antrieb sorgte, und bemerkte, dass die Flügel die Richtung umkehrten, wenn man die Kugel von außen erwärmte. Sechzig Jahre später sollte ihm das Nobelkomitee die Hälfte des Physik-Nobelpreises für die ausgereifte Version dieser Kindheitsfrage verleihen: Kann ein Lichtstrahl tatsächlich Materie festhalten? Er konnte es. Er war sechsundneunzig, als sie es ihm mitteilten, und er sagte, er könne sich darüber nicht allzu sehr aufregen.

Brooklyn, Radar und ein Bruder, der es zuerst geschafft hatte

Ashkin wurde am 2. September 1922 in Brooklyn, New York, als Sohn von Isadore Ashkin, der mit achtzehn Jahren aus Odessa eingewandert war und ein Dentallabor in Manhattan aufgebaut hatte, und Anna Fishman geboren. Es gab drei überlebende Kinder: einen älteren Bruder Julius, Arthur und eine jüngere Schwester Ruth. Julius gab ein einschüchterndes Tempo vor, machte mit zweiundzwanzig Jahren seinen Physik-Doktortitel in Columbia und leitete schließlich die Physikabteilung am Carnegie Tech.

Arthur folgte ihm 1940 nach der James Madison High School nach Columbia. Der Krieg unterbrach ihn; er verbrachte ihn als Techniker im Radiation Laboratory beim Bau von Magnetrons für Militärradar unter einem Vorgesetzten namens Sid Millman, der sich zweimal als entscheidend erweisen sollte. Ashkin beendete 1947 sein Physikstudium mit einem Phi-Beta-Kappa-Schlüssel, ging dann mit der G.I.-Bill an die Cornell University und promovierte 1952 in Kernphysik mit einer Dissertation über Elektron-Positron-Streuung. In Cornell traf er Aline, die er 1954 heiratete und mit der er über sechzig Jahre verheiratet blieb.

Vierzig Jahre bei Bell Labs

Millman, der inzwischen bei den Bell Laboratories war, empfahl seinen alten Techniker. Ashkin kam 1952 und blieb vierzig Jahre. Das erste Jahrzehnt floss in Mikrowellen und Elektronenröhren – respektable, aber unbedeutende Arbeit. Dann kam der Laser, und um 1960 wechselte Ashkin das Fachgebiet vollständig in Richtung nichtlineare Optik, Glasfasern, parametrische Oszillatoren und Verstärker. In den 1960er Jahren gehörte er zu den Mitentdeckern des photorefraktiven Effekts in piezoelektrischen Kristallen. Er sollte schließlich siebenundvierzig Patente halten.

Aber er hatte die Radiometer-Frage nie losgelassen. Licht trägt Impuls. Das ist nicht umstritten – Maxwell hatte es gesagt, und Strahlungsdruck ist der Grund, warum Kometenschweife von der Sonne wegzeigen. Das Problem ist, dass die Kraft absurd klein ist. Niemand erwartete, dass sie nützlich sein würde, um irgendetwas zu schieben, das man sehen konnte.

Was optische Pinzetten wirklich tun

Ashkins Erkenntnis war, dass ein Laser nicht nur schiebt. Fokussiert man einen Strahl eng, erzeugt er einen steilen Intensitätsgradienten – sehr hell am Brennpunkt, dunkler einen Bruchteil eines Millimeters entfernt. Ein transparentes Teilchen, das in diesem Gradienten sitzt, wirkt wie eine winzige Linse und biegt das durchgehende Licht. Gemäß Newtons drittem Gesetz drückt das Biegen des Lichtweges auf das Teilchen zurück, und das Nettoergebnis ist eine Kraft, die das Teilchen zum hellsten Punkt zieht und es dort festhält.

Es gibt also zwei wirkende Kräfte: die Streukraft, die das Teilchen entlang des Strahls schiebt, und die Gradientenkraft, die es seitlich in den Kern des Strahls zieht. Bringt man sie ins Gleichgewicht, hat man eine Falle. Wenn der Fokus steil genug ist, kann die Gradientenkraft allein ein Teilchen gegen den Schub in allen drei Dimensionen mit einem einzigen Strahl halten. Das ist eine optische Pinzette: ein Knoten aus Licht, in dem etwas gefangen ist.

Ashkin veröffentlichte das erste Papier über optisches Einfangen 1970. Die theoretische Physikabteilung der Bell Labs lehnte es zunächst ab; sein Chef Rudi Kompfner überstimmte sie und sagte ihm, er solle es einfach einreichen. Es wurde das meistzitierte Papier seines Jahres und hat seitdem fünftausend Zitate überschritten. 1971 ließ er kleine Glaskugeln gegen die Schwerkraft schweben. Die Gradientenfalle mit einem Strahl – die echte Pinzette – folgte in den 1980er Jahren, wobei die Technik konventionell auf 1986 datiert wird.

Von Glasperlen zu lebenden Zellen

Der Schritt, der Ashkin außerhalb der Physik berühmt machte, war biologisch. Er stellte fest, dass er nicht nur Latexkugeln, sondern auch Bakterien, Viren und schließlich ganze lebende Zellen einfangen konnte, und – entscheidend – dass er dies ohne sie zu kochen konnte, indem er zu Infrarotlicht wechselte. Plötzlich hatten Biologen ein Paar Hände, die klein genug waren, um ein einzelnes Organell zu halten. Optische Pinzetten wurden später verwendet, um die Kräfte zu messen, die von molekularen Motoren wie Kinesin beim Gehen entlang eines Mikrotubulus erzeugt werden, um einzelne DNA-Moleküle zu dehnen und um einzelne Zellen zu manipulieren, ohne sie zu berühren.

Es gab ein paralleles Erbe in der Physik. Ashkins Arbeit zum Einfangen bildete die Grundlage für Steven Chus Laserkühlung und Einfangen von Atomen, was Chu einen Anteil am Nobelpreis 1997 einbrachte, und von dort aus floss sie direkt in die Bose-Einstein-Kondensation und den Atomlaser ein.

Der Preis, zwanzig Jahre zu spät

Am 2. Oktober 2018 wurde Ashkin im Alter von sechsundneunzig Jahren die Hälfte des Physik-Nobelpreises für seine Erfindung optischer Pinzetten verliehen, die Teilchen, Atome, Viren und andere lebende Zellen mit ihren Laserstrahlfingern greifen. Gérard Mourou und Donna Strickland teilten sich die andere Hälfte für die Chirped-Pulse-Amplification. Er war zum Zeitpunkt der Verleihung der älteste Mensch, der jemals einen Nobelpreis erhielt, ein Rekord, der nur ein Jahr hielt, bis John Goodenough mit siebenundneunzig Jahren den Chemiepreis erhielt.

Die anderen Ehrungen hatten sich stetig angesammelt: Wahl in die National Academy of Engineering 1984 und die National Academy of Sciences 1996, die Charles Hard Townes Medal 1988, die Frederic Ives Medal 1998, der Joseph F. Keithley Award 2003, der Harvey Prize 2004 und die Aufnahme in die National Inventors Hall of Fame 2013. Er ging 1992 bei Bell Labs in den Ruhestand und arbeitete weiter, in einem Labor im Keller seines Hauses in Rumson, New Jersey.

Warum Arthur als Genie bezeichnet wird

Die Qualität, die Ashkins Karriere auszeichnet, ist nicht rohe analytische Power – er war kein Theoretiker, und die Physik des Strahlungsdrucks war bereits gut etabliert, bevor er sie berührte. Es ist etwas Selteneres und schwerer zu Lehrendes: eine ungewöhnlich buchstäbliche Vorstellungskraft, gepaart mit der Geduld, eine Frage fünfzig Jahre lang ohne institutionelle Ermutigung zu verfolgen.

Jeder wusste, dass Licht Impuls trug. Ashkin war derjenige, der fragte, was passieren würde, wenn man tatsächlich versuchen würde, damit etwas aufzuheben, und dann weiter Apparaturen baute, bis es funktionierte. Das Papier von 1970 wurde von der Theoriegruppe seiner eigenen Institution abgelehnt. Ihm wurde im Grunde gesagt, dass der Effekt zu schwach sei, um wichtig zu sein. Er hatte recht und sie hatten unrecht, und was ihn recht haben ließ, war eine physikalische Intuition darüber, wie eine transparente Perle einen Strahl bricht – ein geistiges Bild, keine Gleichung.

Der ehrliche Gegenpunkt: Er entdeckte keine neue Physik. Optische Pinzetten sind eine brillante Anwendung verstandener Prinzipien, und der Nobelpreis kam am Ende für ein Instrument. Bell Labs war in jener Ära eine außergewöhnliche Maschine, um gute Leute produktiv zu machen, und Ashkin hatte vierzig Jahre davon, mit einem Chef, der bereit war, sich über Skeptiker hinwegzusetzen. Ein Großteil der Biologie, die die Technik unverzichtbar machte, wurde von anderen geleistet. Was wirklich sein ist, ist die Hartnäckigkeit der ursprünglichen Idee und die Tatsache, dass eine Technik, die heute weltweit in Laboren verwendet wird, von einem Mann stammte, der sich weigerte, eine Frage fallen zu lassen, die er zuerst als Junge stellte, als er ein sich drehendes Spielzeug anstarrte.

Vermächtnis

Ashkin starb am 21. September 2020 im Alter von achtundneunzig Jahren. Seine drei Kinder – Michael, ein Kunstprofessor in Cornell, Judith, eine Tai-Chi-Lehrerin, und Daniel, ein Keramikwissenschaftler – folgten ihm keiner in die Physik. Sein Instrument schnitt besser ab. Optische Pinzetten sind heute Standardausrüstung in der Zellbiologie, Biophysik und Atomphysik, und die Fähigkeit, ein einzelnes lebendes Bakterium regungslos in einem Lichtstrahl zu halten, was 1970 wie ein Zaubertrick klang, ist heute etwas, das ein Doktorand vor dem Mittagessen aufbaut.