Licht in den kleinsten aller Welten

Text: Bettina Mittelstraß

Vahid Sandoghdar macht sichtbar, was bisher keiner sah. Der international bedeutende Experimentalphysiker entwickelt Methoden zur optischen Beobachtung und Untersuchung von Materie im Nanometerbereich und verschiebt Grenzen des Erkennbaren. Die Entwicklung des jungen Forschungsgebietes Nano-Optik ist international mit seiner Person verbunden. Die Region Erlangen-Nürnberg rückt als Wissenschaftsstandort durch seine wegweisenden Arbeiten nun weltweit in den Fokus.

Vom Flugzeug aus betrachtet ist die Erde für den Piloten so klein, dass er Häuser nicht immer erkennen kann, geschweige denn den Reflektor an einer sich drehenden Fahrradspeiche. Seine Perspektive ist vergleichbar mit dem wissenschaftlichen Blick auf die winzige Welt an der Grenze zu fester Materie. Im Unterschied zum Piloten aber kann der Physiker Vahid Sandoghdar in der Nano-Welt auch den geringsten Widerschein sehen und dort Bausteine einzeln beobachten, die mehr als 1 000-mal kleiner sind als der Durchmesser eines Haars.

Wer die Teilchen in den Grenzbereichen auf Nanometerskala erkennen will, braucht von dort Signale – zum Beispiel Licht. Vahid Sandoghdars Ehrgeiz konzentriert sich auf das einzelne Molekül. „Mich treibt das Ziel an, das reine Gedankenexperiment im Labor exakt umzusetzen“, sagt der erfinderische Physiker. Wo andere aufgeben, verfeinert er den Versuchsaufbau bis ins kleinste Detail. An der Universität Konstanz brachte er im Jahr 2000 ein einzelnes Molekül an der Spitze einer Glasfaser durch Laserbestrahlung zum Leuchten. Diese Technik kann für die sogenannte Nahfeldmikroskopie eingesetzt werden. Denn mit üblichen optischen Mikroskopen können Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts, nicht gesehen werden. Deshalb bringen Wissenschaftler kleinste Sonden sehr nah an das zu untersuchende Objekt. Im Rasterverfahren wird dann die Wechselwirkung zwischen dem Licht der Sonde und der Materie ausgewertet – aus den zusammengesetzten Daten entsteht ein Bild. Sandoghdars nanoskopische Sonde hat die kleinste Dimension, die man erreichen kann, und erzielt somit die höchstmögliche Präzision bei der optischen Analyse von Strukturen im Nanometerbereich.

An der ETH Zürich zeigte Sandoghdar, dass ein einzelnes Molekül einen Laserstrahl blockieren oder den Lichtstrahl verstärken kann, und realisierte ebenfalls aus nur einem Molekül erfolgreich den ersten kleinstmöglichen optischen Transistor. Die Ergebnisse seiner Grundlagenforschung werden weltweit wahrgenommen und stimulieren unter anderem die Bemühungen, Signale nicht mehr elektronisch, sondern optisch zu verarbeiten.

Vahid Sandoghdar bringt aus seiner internationalen Laufbahn eine außergewöhnlich breit angelegte Expertise mit nach Franken, wo er als Humboldt-Professor nicht nur an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg die Humboldt-Professur angetreten hat, sondern zugleich zum Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts berufen wurde. Bereits für seine Habilitation verband Sandoghdar Erfahrungen mit Laser-Spektroskopie in den USA und seine Forschungen zur Quantenoptik in Paris mit neuesten Erkenntnissen der Nahfeldmikroskopie und ersten erfolgreichen Experimenten zur Auffindung von Einzelmolekülen. Grenzen zwischen wissenschaftlichen Feldern beeindrucken den Forscher ebenso wenig wie die Grenzen des Sichtbaren auf der Nanometerskala. Sandoghdar schöpft aus diesem vielfältigen Wissen und kombiniert unterschiedliche experimentelle Techniken, um kleinste Strukturen und Teilchen sichtbar zu machen. Nano-Optik beschreibt heute die gezielte Zusammenführung dieses Sachverstandes.

Einzelne Viren unter Beobachtung

„Wenn man mit der eigenen Grundlagenforschung auch die Anwendung verbinden kann, ist das unglaublich schön“, sagt Sandoghdar. Diese Möglichkeit motiviert ihn, die Wechselwirkung von Licht und Materie im Nanometerbereich methodisch künftig stärker in der Biophysik zu nutzen: „In Bezug auf die Wechselwirkungen an der Zelloberfläche gibt es biochemisch, molekularbiologisch und auch biophysikalisch noch viel zu erforschen“, sagt der Humboldt-Professor. Eine der jüngsten Arbeiten des Wissenschaftlers auf dem Gebiet der Biophysik ist daher eine Methode, um Viren einzeln aufzuspüren und ihren Weg auf einer künstlichen Zellmembran zu verfolgen. „Das Virus streut im Prinzip Licht wie ein Reflektor am Fahrrad. Wenn man sensibel arbeitet, kann man es entdecken“, erklärt Sandoghdar. Er präsentiert erste Filme über ein Virus, das als leuchtender Punkt unruhig auf der Oberfläche der Membran hin und her wandert und an einigen Stellen hängen bleibt. Dieser revolutionäre Blick in ein komplexes biologisches System führt zu neuen Forschungsfragen: Warum bleibt das Virus hängen? Ist hier das Tor in die Zelle? Womit kommuniziert das Virus?

Auf dem Feld der Nano-Optik hat Vahid Sandoghdar beinahe täglich neue Ideen. Um die Dynamik des Fachs weiter aktiv zu gestalten, sei es nun umso wichtiger, die besten Ideen mit Bedacht auszuwählen, meint der Physiker. In seiner Doppelrolle als Humboldt-Professor und Institutsdirektor will er in Erlangen hochwertige optische Forschung mit den Schwerpunkten Biophotonik und Nano-Quantenoptik konzentrieren. Er will außerdem Studierende, Wissenschaftler, Entwickler und Anwender über Fächergrenzen hinweg in einem Optical Imaging Center zusammenbringen, wo maßgeschneiderte Methoden für Spitzenforschung und neue Experimente entwickelt werden sollen: „Es gibt so viel zu lernen, und das Beste lerne ich in dem Experiment, das ich selber mache.“