Physik Quantenoptiker Fedor Jelezko ist im Diamantenfieber

Fedor Jelezko in seinem Element: Im Labor justiert der Forscher ein Lasersystem, das fremde Atome in künstlichen Diamanten in Bewegung setzt.
Fedor Jelezko in seinem Element: Im Labor justiert der Forscher ein Lasersystem, das fremde Atome in künstlichen Diamanten in Bewegung setzt. © Foto: Matthias Kessler
Ulm / CHRISTOPH MAYER CHRISTOPH MAYER 02.02.2016
In seinem Forschungsgebiet gehört Fedor Jelezko zur Weltspitze. Der Physiker schleust fremde Atome in kleinste Diamanten ein - als Bausteine für den Supercomputer der Zukunft. Ein Laborbesuch.

Für die Uni ist Fedor Jelezko ein Goldstück, ach was: ein echter Diamant. Der Physikprofessor, Leiter des Instituts für Quantenoptik, heimst Auszeichnung um Auszeichnung ein. Man tut gut daran, erst mal durchzuschnaufen, bevor man mit der Aufzählung loslegt.

Vor wenigen Wochen erst erhielt er den Zeiss Research Award, einen der renommiertesten Preise in der Optik-Sparte. Tags zuvor hatte die jährliche Publikationsanalyse des Medienkonzerns Thomson Reuters ihn als einen der "weltweit einflussreichsten Forscher in seinem Fachgebiet" bezeichnet. Schon zum zweiten Mal in Folge gehört Jelezko nun zu den meistzitierten Wissenschaftlern auf dem Globus. Kurz vor Weihnachten warb er mit seinen Ulmer Professorenkollegen Martin Plenio, Tanja Weil und Volker Rasche, mit denen er gemeinsam und interdisziplinär forscht, fünf Millionen Euro EU-Forschungsgelder ein. Es war nicht der erste Coup für das Trio Jelezko, Plenio und Weil: 2012 hatte man bereits einen mit 10,3 Millionen Euro ausgestatteten "Synergy Grant" des Europäischen Forschungsrates ergattert. Dieses höchste Förderinstrument der Union fördert Vordenker in der Grundlagenforschung. Nicht Länderproporz, sondern allein die wissenschaftliche Idee zählt - für die EU nicht gerade typisch. Last but not least: Junges Mitglied der altehrwürdigen Heidelberger Akademie der Wissenschaften ist Jelezko auch. Die Gelehrtengesellschaft adelte ihn 2014 als von einen bis dato erst sieben Ulmer Professoren.

Attitüden eines Blaublüters legt der 44-Jährige allerdings so gar nicht an den Tag, auch wenn er mit seinem hünenhaften Äußeren und der Prinz-Eisenherz-Frisur ein bisschen was von einem Ritter hat. Jelezkos Büro auf dem Oberen Eselsberg ist spartanisch eingerichtet, auf einer Tafel stehen mathematische Formeln und Gleichungen, die ein Normalsterblicher wohl nie verstehen wird. Auf seine Erfolge angesprochen, antwortet er bescheiden: "Ich freue mich, so viel Unterstützung zu bekommen. Aber es ist auch eine große Verantwortung." Jelezko spricht gut Deutsch mit russischem Akzent. Er, der mittlerweile einen deutschen Pass besitzt, ist gebürtiger Weißrusse.

Das sprachliche Bild vom Diamanten am Anfang des Textes war bewusst gewählt. Denn Diamanten sind das Forschungsobjekt Jelezkos, der Stoff, für den er brennt. Es geht nicht um jene Klunker, die Marilyn Monroe einst besang oder die Ganoven erbeuten wollen, sondern um künstlich hergestellte Diamanten in Größenordnungen von wenigen Millimetern bis hin zu winzigsten Nanodiamanten - ein Nanometer ist ein milliardstel Meter.

In die schießen Jelezko und sein Team einzelne Fremdatome hinein: Stickstoff-, Silizium- oder Germanium-Atome, die den reinen Diamanten gewissermaßen verunreinigen. Diese "Verschmutzung" kann man unter einem Mikroskop gut sehen, denn die Fremdatome leuchten farbig. Weil sich diese Fremdatome beziehungsweise deren Elektronen aber auch stets magnetisch (Jelezko: "Man kann sich das wie eine Kompassnadel vorstellen") verhalten, sehen die Wissenschaftler infolge der Färbung genau, wo die Atome sich hingezogen fühlen. "Wir können also je nach Helligkeit des Atoms die Stärke und Richtung des sie umgebenden elektromagnetischen Feldes herauslesen."

Was das bringt? "Unser gesamtes Leben wird durch elektromagnetische Felder gesteuert", erklärt Jelezko. Alles, vom Licht bis zur Signalübertragung im Gehirn, erfolge über elektromagnetische Wellen. "Diese Wellen nanometergenau messen zu können, erlaubt uns ein besseres Verständnis der Welt."

Es geht nicht nur um Grundlagenforschung. Jelezko arbeitet im Verbund mit Forschern aus Stuttgart und Jerusalem an einem Werkzeug für den Computer der Zukunft: den Quantencomputer, der die nächste Revolution in der Informationstechnologie bringen soll. Die Speichereinheiten dieser Superrechner, so ist er überzeugt, werden einmal zu wesentlichen Teilen aus Nanodiamanten bestehen, in denen nicht nur ein Fremdatom steckt, sondern zehn oder gar hundert. "Ein Quantencomputer mit hundert Atomen würde millionenmal schneller rechnen als jeder klassische Rechner." Und das bei einem im Vergleich zu heute minimalen Energieverbrauch. "Das ist wichtig, schon jetzt steckt ein großer Teil unseres Energieverbrauchs in der Rechnerleistung, Tendenz steigend. In Japan sind es mehr als zehn Prozent." Zudem böten Quantencomputer über die Quantenkryptografie einen "komplett sicheren Weg der Übertragung, die kein Spion der Welt knacken kann". Jelezko ist überzeugt: Das ist keine ferne Zukunftsmusik, sondern wird binnen einer Generation verwirklicht sein. "Es gibt noch technische Probleme, aber ein fundamentales Problem sehe ich nicht."

Die neue Messmethode soll auch einen Quantensprung in der medizinischen Diagnostik bringen. Wenn man Nanodiamanten in einen lebenden Organismus einspritzt oder medikamentös verabreicht, könnten diese als eine Art atomare Miniatursensoren dienen und wie ein Mini-Computertomograph feinste Strukturen im Körper darstellen. Bisher wird das nur in Zellkulturen ausprobiert, mit Erfolg. Versuche an Mäusen sind in Ulm bereits geplant. Irgendwann wird man es wohl auch einmal am Menschen testen. Giftig sind die Nanodiamanten übrigens nicht. Sie bestehen aus reinstem Kohlenstoff, aus dem auch der menschliche Körper zu 18 Prozent besteht, und würden nach gewisser Zeit wieder ausgeschieden.

Zudem sollen Nanodiamanten die Bildgebung in der Medizin revolutionieren. In einem MRT-Scanner können sie ein millionenfach stärkeres Signal als bisher üblich erzeugen. Die Folge: schnellere und detailliertere Aufnahmen, die sogar Stoffwechselprozesse sichtbar machen. Ärzte könnten Krankheiten dann schon früher erkennen, "Diagnosen in einem Stadium stellen, wie es heute noch nicht möglich ist", sagt Jelezko. Mit der Konsequenz, dass auch die Therapie früher und gezielter einsetzen kann.

Der Diamant als Heilsbringer: Bisher war das ja wohl eher eine Domäne der Esoteriker. Es scheint, dass die moderne Wissenschaft ihnen in diesem Fall Recht gibt. Oder, wie es der sich durch seine Lust am lautmalerischen Sprachspiel auszeichnende österreichische Dichter Otto Sommerstorff (1859 bis 1934) in seinem Gedicht "Der künstliche Diamant" formulierte:

Wohl dem, dem dem

dem Demant

vollkommen gleichen Stein

wird auf die Spur zu kommen

dereinst beschieden sein

Zur Person vom 2. Februar 2016

Werdegang Fedor Jelezko wurde am 12. Mai 1971 in Minsk geboren, damals Hauptstadt der noch zur Sowjetunion gehörenden Weißrussischen SSSR. Sein Universitäts-Diplom in Physik machte er 1994 ebenfalls in Minsk. Danach verließ er sein zwischenzeitlich unabhängig gewordenes Heimatland, zu dem aber bis heute privat wie auch wissenschaftlich Kontakt hält. Im französischen Bordeaux promovierte Jelezko zur Moleküldetektion. Nach weiteren Stationen in Paris (Gastprofessur an der ENS Cachan), Chemnitz und Stuttgart leitet er seit 2011 das Institut für Quantenoptik an der Universität Ulm. Jelezko ist verheiratet und hat einen bereits erwachsenen Sohn, der in die Fußstapfen seines Vaters tritt: Er studiert an der Universität Konstanz Physik.

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