07.09.11

Körber-Preis

Der Physiker, der das Gesetz brach

Den diesjährigen Körber-Preis erhält Stefan Hell. Er hat ein neuartiges Lichtmikroskop erfunden, das es eigentlich gar nicht geben dürfte.

Von Marc Hasse
Foto: Friedrun Reinhold
Geschafft! Auf die Tafel hat Stefan Hell die Formel geschrieben, mit der sich die Auflösung von Lichtmikroskopen so verbessern lässt, dass sie Details in lebenden Zellen schärfer zeigen als je zuvor
Geschafft! Auf die Tafel hat Stefan Hell die Formel geschrieben, mit der sich die Auflösung von Lichtmikroskopen so verbessern lässt, dass sie Details in lebenden Zellen schärfer zeigen als je zuvor

Hamburg. "Vergiss es, das hat in 120 Jahren niemand geschafft." "Das kann nicht funktionieren." "Du wirst scheitern." Man ist ihm mit viel Skepsis begegnet in all den Jahren; etliche namhafte Experten zweifelten an seiner Idee. Doch Stefan Hell machte weiter: "Ich wusste, dass ich ein starkes Prinzip entdeckt hatte. Wenn ich den Mut verlöre, würden irgendwann andere Forscher darauf kommen."

Er konstruierte ein neuartiges Lichtmikroskop, das lebende Zellen bis zu zehnmal schärfer abbilden kann als konventionelle optische Geräte - und brach damit ein Gesetz, das viele Physiker für endgültig hielten. Hells Hartnäckigkeit hat sich gelohnt: Heute erhält der 48 Jahre alte Forscher vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen den mit 750 000 Euro dotierten Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft.

+++Hinweise auf eine neue Grundkraft nicht bestätigt+++

+++Schwarzes Loch reißt Stern in Stücke+++

Wie tief können wir mit optischen Mikroskopen in die Welt der kleinsten Teilchen vordringen? Dazu hatte der deutsche Physiker Ernst Abbe 1873 eine Regel formuliert, die er aus der Natur des Lichts ableitete. Licht besteht aus Photonen - Teilchen, die sich in Wellen ausbreiten. Durch ein Objektiv kann man Licht bündeln, aber nur bis auf die Hälfte einer Wellenlänge, 200 Nanometer. Das entspricht etwa dem Zweihundertstel einer Haaresbreite. Strukturen, die enger zusammenliegen, werden quasi gemeinsam beleuchtet und verschwimmen so zu einem einzigen Fleck; sie lassen sich also nicht getrennt betrachten - glaubte Abbe.

Zwar kam einige Jahrzehnte später mit dem Elektronenmikroskop eine scharfsichtige Alternative in die Labore. Heute können die modernsten dieser Geräte, die statt Licht einen Elektronenstrahl nutzen, bis zu 0,1 Nanometer kleine Strukturen abbilden. Doch müssen die Proben trocken sein und - fein geschnitten - in einem Vakuum fixiert werden. Das macht es unmöglich, lebende Zellen zu mikroskopieren.

Lichtmikroskope wiederum galten als ausgereizt. Nur Stefan Hell glaubte, dass sich die Auflösungsgrenze überwinden lasse. "An der Natur des Lichts konnte ich natürlich nichts ändern. Deshalb suchte ich nach anderen Lösungen", erzählt der Physiker. Doch als er damit nach seiner Doktorarbeit 1990 begann, erntete er nur Kopfschütteln; er fand nicht mal eine wissenschaftliche Stelle in Deutschland. Mit einem Stipendium ging er an die Universität Turku in Finnland und wälzte Lehrbücher.

Normalerweise ist ein Molekül in einem niederenergetischen Zustand. Wird es durch Lichtteilchen angeregt, geht es in einen höherenergetischen Zustand über, strahlt das Licht in einer anderen Wellenlänge zurück und geht in den Grundzustand zurück.

Im Spätsommer 1993 stieß Hell dann auf die sogenannte stimulierte Emission - und mit einem Mal fiel es ihm wie Schuppen von den Augen: "Wenn sich Teilchen anschalten ließen, könnte ich sie auch ausschalten - und so nur die Strukturen sichtbar machen, die ich sehen wollte." Für dieses An- und Ausschalten eignen sich besonders gut fluoreszierende Farbstoffe, stellte Hell fest und skizzierte seine Theorie: Würde er Proben mit solchen Farbstoffen markieren, könnte er zunächst mit einem grünen, höherenergetischen Laserstrahl den Leuchtprozess anregen. Weil bis zum Leuchten der Farbmoleküle aber eine Milliardstel Sekunde vergeht, könnte er das Molekül mit einem roten, niederenergetischen Laserstrahl stören, wodurch es in den Grundzustand zurückfiele - ohne zu leuchten.

Er rechnete es durch und sagte stolz zu seinem finnischen Chef: "Es funktioniert!" Der entgegnete: "Auf dem Papier." 1994 gelang es Hell, seine Idee in der US-Fachzeitschrift "Optics Letters" zu veröffentlichen. "An hochrangigere Magazine traute ich mich nicht heran. Ich war ja ein Nobody", erzählt Hell.

Tatsächlich war er ein Mann mit einer bahnbrechenden Idee, aber noch ohne Labor. 1996 stellte ihn das Max-Planck-Institut in Göttingen für fünf Jahre als Leiter einer Nachwuchsforschergruppe an. Mit Fördermitteln des Bundesforschungsministeriums konnte er 1998 einen Prototypen seines STED-Mikroskops bauen - das Kürzel steht für Stimulated Emission Depletion, stimulierte Emission-Löschung.

Doch noch 2000 lehnten die renommierten Magazine "Science" und "Nature" seine Idee ab. Erst eine Veröffentlichung im Magazin "PNAS" brachte den Durchbruch. Als Nachwuchsforscher hatte er mehr als 30 Bewerbungen für eine Professur rausgeschickt. Plötzlich umwarben ihn das Londoner King's College und ein Dutzend weiterer renommierter Hochschulen. Und die Göttinger boten ihm eine Stelle als wissenschaftlicher Direktor an. Er ist geblieben, obwohl er 2008 sogar einen Ruf aus Harvard erhielt.

2007 kamen die ersten STED-Mikroskope auf den Markt. Die neue Technik wissen insbesondere Mikrobiologen, Biochemiker und Mediziner zu schätzen, die nun teilweise live beobachten können, wie die vielen Tausend Proteine in lebenden Zellen agieren und miteinander kommunizieren. Hirnforschern gelang es 2008 mit einer Auflösung von 60 Nanometern erstmals, die Bewegungen an den Kontaktstellen von Nervenzellen sichtbar zu machen. Mittlerweile ist eine Auflösung von 20 Nanometern erreicht. Durch die neuen Einblicke könnten Krankheiten künftig besser behandelt werden.

Mit dem Preisgeld will Stefan Hell neue Techniken erforschen, mit denen sich die Fluoreszenzfarbstoffe mit weniger Licht an- und ausschalten ließen. Das würde die Auflösung nochmals erhöhen, außerdem ließe sich die schädigende Wirkung reduzieren, welche die Laser auf die Zellen haben können.

Heute gilt Hell als Visionär. Er sagt dazu nur: "Es gibt noch viel zu tun."

Deutsche Nobelpreis-Träger für Physik seit 1901
1901 Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) Begründung: "als Anerkennung des außerordentlichen Verdienstes, das er sich durch die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen erworben hat"
1905 Philipp Eduard Anton von Lenard(1862–1947) Begründung: "für seine Arbeiten über die Kathodenstrahlen"
1909 Ferdinand Braun (1850-1918) Begründung: "als Anerkennung ihrer Verdienste um die Entwicklung der drahtlosen Telegraphie"
gemeinsam mit Guglielmo Marconi (1874-1937), Italien
1911 Wilhelm Wien (1864-1928) Begründung: "für seine Entdeckungen betreffend die Gesetze der Wärmestrahlung"
1914 Max von Laue (1879–1960) Begründung: "für seine Entdeckung der Beugung von Röntgenstrahlen beim Durchgang durch Kristalle"
1918 (verliehen 1919) Max Planck (1858–1947) Begründung: "als Anerkennung des Verdienstes, das er sich durch seine Quantentheorie um die Entwicklung der Physik erworben hat"
1919 Johannes Stark (1874-1957) Begründung: "für seine Entdeckung des Doppler-Effekts bei Kanalstrahlen und der Zerlegung der Spektrallinien im elektrischen Feld"
1921 (verliehen 1922) Albert Einstein (1879–1955) Begründung: "für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts"
1925 (verliehen 1926) James Franck (1882-1964)
Gustav Hertz (1887-1975)
Begründung: "für ihre Entdeckung der Gesetze, die bei dem Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Atom herrschen"
1932 (verliehen 1933) Werner Heisenberg (1901–1976) Begründung: "für die Begründung der Quantenmechanik, deren Anwendung zur Entdeckung der allotropen Formen des Wasserstoffs geführt haben"
1954 Walter Bothe (1891-1957) Begründung: "für seine Koinzidenzmethode und seine mit deren Hilfe gemachten Entdeckungen"

Max Born (1882–1970) Großbritannien, "für seine grundlegenden Forschungen in der Quantenmechanik, besonders für seine statistische Interpretation der Wellenfunktion"
1961 Rudolf Ludwig Mössbauer (geb. 1929) Begründung: "für seine Forschungen über die Resonanzabsorption der Gamma-Strahlung und seine damit verbundene Entdeckung, die den Namen 'Mössbauer-Effekt' trägt"

Robert Hofstadter (1915-1990), USA, "für seine bahnbrechenden Studien über elektrische Schwingungen im Atomkern und für die dabei erzielten Entdeckungen über die Struktur der Nukleonen"
1963 Johannes Hans Daniel Jensen (1907-1973) Begründung: "für ihre Entdeckung der nuklearen Schalenstruktur"
gemeinsam mit und Maria Mayer-Goeppert (1906-1972), USA,

Eugene Paul Wigner (1902-1995), USA "für seine Beiträge zur Theorie des Atomkerns und der Elementarteilchen, besonders durch die Entdeckung und Anwendung fundamentaler Symmetrie-Prinzipien"
1985 Klaus von Klitzing (geb. 1943) Begründung: "für die Entdeckung des sogenannten quantisierten Hall-Effekts"
1986 Ernst Ruska (1906-1988) Begründung: "für sein fundamentales Werk in der Elektronen-Optik und für die Konstruktion des ersten Elektronenmikroskops"

Gerd Karl Binnig (geb. 1947) Begründung: "für ihre Konstruktion des Rasterelektronenmikroskops"
gemeinsam mit Heinrich Rohrer (geb. 1933), Schweiz
1987 Johannes Georg Bednorz (geb. 1950) Begründung: "für ihre bahnbrechende Entdeckung von Supraleitung in keramischen Materialien"
gemeinsam mit Karl Alexander Müller (geb. 1927), Schweiz
1989 Wolfgang Paul (1913-1993) Begründung: "Für seine Entwicklung der Paul-Falle, eines elektrischen Vierpolfeldes zum Einschluß und zur Untersuchung weniger Ionen oder Elektronen über genügend lange Zeit"

Norman Foster Ramsey (geb. 1915), USA, "für seine Ausarbeitung einer verbesserten Meßtechnik bei atomaren Energie-Übergängen, mit der präzise Zeit- und Frequenzmessungen möglich wurden"
und
Hans Georg Dehmelt (geb. 1922), USA, "für die Entwicklung der Penning-Falle zum Einschluß von Ionen oder Elektronen, um deren Eigenschaften mit großer Genauigkeit zu erforschen"
1998 Horst Ludwig Störmer (geb. 1949) Begründung: "für ihre Entdeckung einer neuen Art von Quantenflüssigkeit mit fraktionell geladenen Anregungen"
gemeinsam mit Robert Laughlin (geb. 1950), USA und Daniel Chee Tsui (geb. 1939), USA
2000 Herbert Kroemer (geb. 1928) Begründung: "für die Entwicklung von Halbleiterheterostrukturen für Hochgeschwindigkeits- und Optoelektronik"
gemeinsam mit Zhores Iwanowitsch Alferov (geb. 1930), Weissrussland

Jack St. Clair Kilby (geb. 1923), USA, "Beitrag zur Entwicklung des Integrierten Schaltkreises(IC)"
2001 Wolfgang Ketterle (geb. 1957) Begründung: "für die Erzeugung der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten Gasen aus Alkaliatomen und für frühe grundsätzliche Studien über die Eigenschaften der Kondensate"
gemeinsam mit Eric Allin Cornell (geb. 1961), USA und Carl Erwin Wieman (geb. 1951), USA
2005 Theodor W. Hänsch (geb. 1941) Begründung: "für ihre Beiträge zur Entwicklung der auf Laser gegründeten Präzisionsspektroskopie, einschließlich der optischen Frequenzkammertechnik"
gemeinsam mit John L. Hall (geb. 1934), USA

Roy J. Glauber (geb. 1925), USA, "für seinen Beitrag zur quantenmechanischen Theorie der optischen Kohärenz"
2007 Peter Grünberg (* 1939) Begründung: "für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands (GMR)"
gemeinsam mit Albert Fert (* 1938) Frankreich
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