Der rote Faden

Ein Oxford-Professor im Schöpfungslabor

Der Italiener Andrea Cavalleri, der mit seiner Familie in Eppendorf lebt, forscht bei Desy mit Laserstrahlen nach neuen Materialien.

Der rote Faden zieht sich durchdie Stadt: Er verbindet Menschen,die einander schätzen, bewundern,überraschend finden. Sie entscheiden, an wen sie ihn weiterreichen: an andere, die hier arbeiten, Besonderes für diese Stadt leisten, in Hamburg als Vorbilder gelten. Folge 37: Andrea Cavalleri, Physikprofessor und Grundlagenforscher. Er bekam den roten Faden vom Eppendorfer Gastronomen Remigio Poletto.

So prosaisch sieht also heute die Werkstatt der Schöpfung aus: ein fensterloser Laborraum im Gebäude G 49 auf dem Desy-Gelände, zu betreten nur mit Antistaubschutz über den Schuhen. Und mit Laserschutzbrillen. Hier arbeitet Professor Andrea Cavalleri mit seinem internationalen Team, 30 Leute aus mehr als 15 Nationen. Cavalleri ist Gründungsdirektor der Max-Planck-Forschungsgruppe Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg, im "Center for Free Electron Laser Science". So steht es auf seiner Visitenkarte, deren Rückseite ihn als Professor für Physik an der Universität Oxford ausweist. Was erforscht er hier?

Vier Laserkanonen sind installiert, die ihre Lichtblitze durch komplizierte, fein justierte Versuchsanordnungen schicken. Cavalleri spricht so, dass es auch ein Nichtwissenschaftler verstehen kann: "Wir haben hier Hochintensitätslaser, die sehr kurze Lichtblitze erzeugen, die kürzer sind als die Zeit, die Atome für ihre Bewegungen brauchen. So können wir Abbildungen von Atomen machen. Wir beobachten Moleküle, wenn sie sich verformen und dabei ihre Eigenschaften wechseln. Wenn zum Beispiel ein magnetisches System nicht magnetisch wird. Oder ein Isolator supraleitend. Wir wollen verstehen, wie das funktioniert."

Dazu muss der Blick der Forscher schneller sein als die Atome, die sie beobachten. Die Laser, die verwendet werden, erzeugen Pulse, die für die ultrakurze Zeit von zehn Femtosekunden (10-14 Sekunden - das Zehntel eines Millionstels einer Millionstelsekunde) eine Leistung von einem Terawatt (eine Billion Watt) aufbringen - vergleichbar dem durchschnittlichen Leistungsverbrauch von ganz Europa.

Wenn man diese Energie fokussiert, etwa auf Kristalle, sagt Andrea Cavalleri, kann man ihre Kristallgitter verformen. Denn das elektrische Feld des Laserlichts ist stärker als die Bindungsenergie zwischen zwei Atomen. "So können wir Zustände von Materie erzeugen, die es noch gar nicht gibt. Wenn man die stabilisieren kann, hätte man neue Materialien."

So wird die Schöpfung fortgeschrieben. Im Augenblick arbeiten die Forscher um Cavalleri noch mit Geräten, die Spielzeuglaser sind im Vergleich zu dem neuen Röntgenlaser European XFEL, der in einer europäischen Kooperation derzeit zwischen Schenefeld und Bahrenfeld in einer 3,4 Kilometer langen unterirdischen Tunnelanlage gebaut und 2015/16 in Betrieb genommen wird. Die mehr als eine Milliarde Euro teure Anlage soll dann ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich erzeugen - mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art. Weltweit wird es nur drei solcher Anlagen geben.

Mit ihnen lassen sich atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, 3-D-Aufnahmen aus dem Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen. Cavalleri interessiert, wie sich Materialien und ihre Eigenschaft verändern, wenn sie mit dieser Strahlung beschossen werden. Oder von ihm auf einen Punkt gebracht: "Kann man zum Beispiel bei diesem Kristall, der transparent ist, die Atomstruktur so umformen, dass er nicht mehr transparent wie Glas ist, sondern zum Beispiel metallisch wie Kupfer wird?"

Andrea Cavalleri hat viel Geduld mit dem Journalisten, den er durch ein Reich ungeahnter Möglichkeiten führt, er beantwortet solche Fragen nicht zum ersten Mal. Etwas einfacher wird es, wenn er seinen Werdegang erzählt. Geboren 1969 in der Nähe von Mailand, aufgewachsen im norditalienischen Modena. Der Vater: Medizinprofessor, die Mutter Lehrerin. Andrea Cavalleri studiert in Pavia Elektrotechnik, interessiert sich aber auch für Wirtschaftswissenschaft. Doch dann trifft er einen Professor, frisch aus Amerika zurückgekehrt, der sich dort mit Lasertechnik beschäftigt hat. "Da dachte ich: Das klingt toll." Cavalleri konstruiert erste Lasergeräte, macht seinen Doktor in Italien, arbeitet auch schon in Essen; Wissenschaft ist international. Und der nächste Sprung groß: Er geht nach Kalifornien, San Diego, "zu diesem verrückten Professor Kent Wilson - ein Chemiker, der den Traum hat, Moleküle mithilfe von Laserpulsen abzubilden".

Es müssen verrückte Jahre gewesen sein, unter anderem konnten sie dort zum ersten Mal festhalten, wie ein Material schmilzt. Das war zwischen 1998 und 2001. Dann wechselt er nach Berkeley, um mit einem Synchrotron arbeiten zu können, "ein bisschen wie PETRA hier bei Desy". Aus Laser und Elektronenstrahlen entstehen dort Röntgenblitze, mit denen man ausleuchten kann, was die Welt im Innersten zusammenhält. 2004 bekommt er den European Young Investigator Award, wird bald Professor in Oxford und denkt: Mehr geht nicht.

Bis 2007 die Max-Planck-Gesellschaft entscheidet, ein neues Institut in Hamburg aufzubauen und ihn fragt, ob er es gründen und leiten möchte. So kommt er nach Hamburg, wird auch hier Professor. Das Max-Planck-Institut nimmt Anfang 2013 auch offiziell seine Arbeit auf, alle dort warten schon sehnsüchtig auf die ganz große Röntgenlaserkanone XFEL.

Ein Forscher vom Rang Cavalleris hat auf der ganzen Welt zu tun. Er experimentiert in Stanford/Kalifornien am allerersten Röntgenlaser, ist oft in Japan, war Gastprofessor in Tokio, lehrt noch in Oxford. "Ich sitze etwas zu viel im Flugzeug, aber wenn man sehr diszipliniert ist, geht das." Als er jung war, sagt er mit seinen 42 Jahren, fand er das ständige Reisen toll, "irgendwie ist ja das ganze Leben eine Reise".

Inzwischen hat er andere Prioritäten und seine Familie in Eppendorf. "Aber Europa ist zum Glück wirklich klein, Hamburg-Mailand, das sind nur eineinhalb Stunden." Seine italienische Frau Katia ist Anwältin, hat ebenfalls in den USA und in England gearbeitet, inzwischen untersucht sie das Einwanderungsrecht von England und Deutschland. Töchterchen Camilla hat gerade ihren ersten Geburtstag hinter sich.

Über die Jobs unterhält sich das Ehepaar selten, dafür über "Deutschland, Italien, Politik, Bücher, aber auch Weine". So leidenschaftlich, wie Cavalleri über seine Arbeit erzählt, so wortkarg wird er, wenn's ums Private geht: Er liest viel, mag gut essen und trinken, natürlich auch kochen ("Ich bin Italiener!") oder Filme anschauen, "was einer mit 40 plus so macht, nicht mehr viel Disco, leider".

Welche Träume hat ein Physiker seines Fachgebiets? "Ich denke an die Anwendungen. Wenn man den Zustand eines magnetischen Materials auf Atomebene schalten könnte, könnten wir Daten 1000-mal schneller speichern und verändern als heute. Wir könnten exotische Zustände der Materie erzeugen, etwa mithilfe von Supraleitung Elektrizität verlustfrei transportieren bei Raumtemperatur."

Und was sind seine Erfolgserlebnisse? "Wenn man etwas hinbekommt, wo das Ergebnis signifikant ist." In Berkeley hat er es erlebt. Er wollte wissen, wie ein transparenter Kristall zu einem Metall wird. Gesucht war die Zeit, die das dauert - die würde entscheiden, wie es funktioniert. "Ich hab die Zahl noch heute im Kopf: Sieben mal 10-14 Sekunden, sieben Femtosekunden." Damit war seine Frage entschieden. Ein kleiner Erfolg - was wäre ein großer? "Es gibt Leute, die den Weg der Menschheit ändern - die Kollegen, die den Laser erfunden haben, den Transistor, die Supraleitung. Supraleitung bei Raumtemperatur zu ermöglichen - das wäre vergleichbar, das wäre eine Karriere wert."

Wie man dahin kommt? "Ich weiß es nicht - wenn man forscht, sieht man in eine neue Richtung, und wenn man wüsste, was man tut, wäre das nicht Forschung. Man geht in diese Richtung, schaut, was interessant ist, und da geht's dann lang. Man findet da immer neue Sachen, von denen man vorher nicht geträumt hat." Um seinen Weg zu gehen, "braucht der Forscher Kreativität, Courage, Hartnäckigkeit, Selbstbewusstsein. Er muss sich genug kennen, um zu wissen, wieweit er gehen kann, um scheinbar unzusammenhängende Ideen zusammenzubringen. Immer an der Grenze arbeiten, immer ein bisschen mehr fordern." Der größte Flaschenhals sei, dass man zu klein denkt, nicht das intellektuelle Selbstbewusstsein hat, die großen Fragen zu stellen und sie in ein Experiment zu übersetzen.

An Hamburg liebt er, dass die Wissenschaft in bester deutscher Tradition die Freiheit hat zu experimentieren. "Ich bin hier einerseits absolut unabhängig und selbstständig, dank der deutschen Forschungspolitik und der Max-Planck-Gesellschaft. Hier kann ich langfristig und strategisch denken. Aber ich bin auch nur ein Knoten in einem Riesennetzwerk - von Leuten, die den XFEL bauen, oder anderen Forschern, die mir neuartige Kristalle für meine Experimente schicken. Ich bin abhängig von einer gigantischen Zusammenarbeit." Er selbst bringt viele Fäden zusammen, und er weiß: "Neues Wissen entsteht immer an den Grenzen zwischen den Fachgebieten."

Schon jetzt entwirft er mit seiner Forschungsgruppe Fragen, die mit dem neuen XFEL-Röntgenlaser beantwortet werden können. Die Verantwortung ist groß, und der Wettbewerb um die kostenintensive Experimentierzeit hart. In Stanford, wo schon ein Röntgenlaser steht, wird nur für zehn Prozent aller Anträge "Strahlzeit" bewilligt.

Andrea Cavalleri reicht den Faden in der kommenden Woche weiter an den Sport-Moderator Gerhard Delling. Er sagt: "Es fasziniert mich sehr, wenn jemand so fachkundig über Fußball sprechen kann."