Zwei Nobelpreise in 2014 für die Photonik

Nobelpreis-Verleihung in Stockholm: Lichtphysiker Stefan Hell erhält Chemie-Nobelpreis für seine Entwicklungen zur Fluoreszenzmikroskopie mit Nanometerauflösung / Physik-Nobelpreis geht an drei Forscher aus Japan für die Entwicklung der blauen LED.

Bild 1: Prof. Dr. Dr. h.c. Stefan W. Hell Bild: Bernd Schuller / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Bild 2: Die STED-Mikroskopie (innen) liefert hier zirka zehnmal schärfere Details von Filamentstrukturen einer Nervenzelle als ein herkömmliches Mikroskop (außen). Bild: Donnert, Hell / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Bild 3: Nur durch die Erforschung und Entwicklung von blauen LEDs wurden weiße LEDs möglich. Bild: VDI Technologiezentrum

11.12.14

Am gestrigen Abend wurde während der Verleihung der Nobelpreise in Stockholm die Photonik gleich doppelt ausgezeichnet: Die Nobelpreise in den Kategorien Physik und Chemie gehen in diesem Jahr an die Wissenschaften rund ums Licht. Traditionell wurden die mit jeweils rund 860.000 Euro (8 Millionen Schwedischen Kronen) dotierten Preise am 10. Dezember, dem Todestag Alfred Nobels, im Rahmen einer festlichen Zeremonie in den Kategorien Physik, Chemie, Medizin, Wirtschaft und Literatur vom schwedischen König Carl XVI. Gustaf verliehen.

Besonders erfreulich aus deutscher Sicht war dabei die Verleihung des Chemie-Nobelpreises an Stefan W. Hell (Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen) für die hochauflösende Mikroskopie (Nanoskopie). Er teilt sich den Preis mit Eric Betzig (Janelia Farm Research Campus, Howard Hughes Medical Institute, Ashburn USA) und William E. Moerner (Stanford University, Stanford, USA).

Den Physik-Nobelpreis erhielten Isamu Akasaki (Meijo University, Nagoya, Japan und Nagoya University, Japan), Hiroshi Amano (Nagoya University, Japan) und Shuji Nakamura (University of California, Santa Barbara, CA, USA) für die Entwicklung der blauen LED, mit der weiße LEDs erstmals möglich wurden.

Nobelpreis für Chemie: Klein, kleiner, Nanoskopie

Der Physiker Stefan Hell hat einen Weg gefunden, die 1873 von Ernst Abbe formulierte Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen – ein Gesetz, das lange als Untergrenze und praktisch unumstößlich galt – radikal zu unterlaufen. Bei der von ihm erfundenen und zur Anwendungsreife entwickelten STED-Mikroskopie (das Kürzel steht für Stimulated Emission Depletion – stimulierte Emissions-Löschung) ist die Auflösung nicht länger durch die Lichtwellenlänge begrenzt.

Dadurch ist es erstmals möglich, Strukturen in einer Zelle mit einer heute bis zu zehnmal besseren Detailschärfe im Vergleich zu herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopen zu beobachten. Doch nicht nur Momentaufnahmen sind mit dem neuen STED-Mikroskop möglich. Sogar Vorgänge im Inneren lebender Zellen lassen sich damit „live“ mit Nanometer-Auflösung verfolgen.

Mit seinen Arbeiten zu STED und weiteren damit verwandten Verfahren wie der 4Pi-Mikroskopie hat Stefan Hell in den vergangenen Jahren ein Fenster aufgestoßen, um weit in den Nanokosmos lebender Zellen vorzudringen. In der Erforschung von Krankheiten oder der Entwicklung von Medikamenten biete die STED-Mikroskopie reichlich Potenzial, betont Hell. „Wenn sich direkt beobachten lässt, wie ein Medikament in der Zelle wirkt, könnte die Entwicklungszeit neuer therapeutischer Wirkstoffe enorm verkürzt werden.“

Die Arbeiten von Professor Hell zur Nanoskopie wurden und werden aktuell vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 7,8 Millionen Euro gefördert. Innerhalb der Biophotonik-Initiative des Programms „Photonik Forschung Deutschland“ sind dies u.a. die Verbundprojekte Superresolution, NANOLIVE, GSDIM, STEDlight, und VideoRES.

Nobelpreis für Physik: Der heilige Gral der Lichtforschung

Akasaki, Amano und Nakamura wurden für die Entwicklung von Licht emittierenden Dioden (LED), die blaues Licht emittieren, ausgezeichnet. Dieser Fortschritt legte den fundamentalen Grundstein für den weltweiten Siegeszug der LED, da somit auch erstmals weiß emittierende LEDs ermöglicht wurden.

In den frühen 1990ern entdeckten Akasaki, Amano und Nakamura eine Möglichkeit, das schon länger erforschte Galliumnitrid-Halbleitermaterial (GaN), das blaue Lichtstrahlen emittierte, industrietauglich und hell herzustellen. Rote und Grüne LEDs konnten schon seit längerer Zeit produziert werden, doch um weiß emittierende LEDs zu erzeugen fehlte das „Blau“. So galt die Erforschung und Entwicklung von blauen LEDs lange als der „Heilige Gral“ unter den Lichtforschern.

Die relevanten Beiträge zu hochqualitativen und effizienten GaN-Dioden waren die Erforschung von Verfahren der p-Dotierung durch Magnesium und n-Dotierung, sowie die Realisierung von Heterostrukturen aus Galliumnitrid und Aluminium- bzw. Indium-Galliumnitrid. Mitte der 90er Jahre wurde von den Arbeitsgruppen sogar auch die Lasertätigkeit des Galliumnitrid gezeigt.

Die Entwicklung der ersten weißen LED vor rund 20 Jahren hat dank ihrer vielfältigen Vorteile, wie einem breiten Farbspektrum, ihrer Kompaktheit und der hervorragenden Energieeffizienz, zu einer grundlegenden Revolution in der Beleuchtung geführt.

Weitere Informationen

Artikel vom 08.10.2014 zum Nobelpreis für Chemie an Stefan Hell
Artikel vom 07.10.2014 zum Nobelpreis für Physik an Akasaki, Amano und Nakamura

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