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Nobel für revolutionäre optische Technologien
Der 2009 Nobelpreis für Physik wurde an drei Forscher verliehen, deren Arbeiten die Grundlage der modernen Telekommunikation und der digitalen Bildgebung bildeten. Der Preis würdigt Charles K. Kao, dessen Entdeckungen zu einem Durchbruch in der Faseroptik führten, sowie Willard S. Boyle und George E. Smith, die den CCD-Bildsensor (Charge-Coupled Device) erfunden haben.
Nobelpreisträger: Die Gewinner des diesjährigen Physik-Nobelpreises sind von oben nach unten Charles K. Kao, ehemals Standard Telecommunication Laboratories, sowie Willard S. Boyle und George E. Smith, ehemals Bell Laboratories.
Glasfasern transportieren fast alle Telekommunikationsdaten und bilden das Rückgrat des Internets. In Kombination mit dem Laser und dem Transistor habe die Erfindung einer effizienten, verlustarmen Glasfaser eine nahezu sofortige Kommunikation auf der ganzen Welt ermöglicht, sagte H. Frederick Dylla, Direktor des American Institute of Physics, in einer Erklärung.
Die Arbeiten wurden Mitte der 1960er Jahre ausgeführt. Die Erfindung des Lasers Anfang der 1960er Jahre spornte die Forscher an, ein praktikables Übertragungsmedium für Licht zu entwickeln, das Daten viel schneller als Radiowellen übertragen kann. Lichtwellenleiter schienen damals wegen ihrer hohen Dämpfungsrate jedoch nicht erfolgversprechend: Nur etwa 1 Prozent des durch die Faser geschickten Lichts würde bis zu 20 Meter weit übertragen.
Kaos Erkenntnis bestand darin, sich nicht nur auf die Physik des Lichts zu konzentrieren, sondern auch auf die Materialeigenschaften des Mediums selbst. Im Jahr 1966 entdeckte Kao als junger Ingenieur bei den Standard Telecommunication Laboratories in Harlow, Großbritannien, die zugrunde liegenden Ursachen der Dämpfung in Glasfasern: Eisenverunreinigungen führten dazu, dass sie das Licht absorbierten und streuten. Reines Glas sei ein besserer Träger und biete auch Kostenvorteile.
Nach weiteren Studien, wie Licht verschiedener Wellenlängen durch verschiedene Medien wandert, wiesen Kao und seine Kollegen auf Siliziumdioxid als das beste Material hin. Aber Siliziumdioxid ist schwer zu verarbeiten. Ein Forscherteam der Corning Glass Works realisierte 1970 Kaos Designs, indem es eine Hochdruck-Reaktionskammer verwendet, um die ersten verlustarmen optischen Fasern zu bilden, und andere bei Bell Laboratories verfeinerten die Herstellungstechnik, um die Kosten zu senken.
Moderne Glasfasern sind sogar noch besser als Kao vorhergesagt hat, sie verlieren nur 5 Prozent des Lichts über eine Entfernung von einem Kilometer. 1988 wurde die erste interkontinentale Glasfaser mit einer Länge von 6.000 Kilometern zwischen Europa und Amerika verlegt; Heute gibt es weltweit über eine Milliarde Kilometer Glasfaser, und jeden Tag kommen mehr dazu.
Die andere Hälfte des diesjährigen Physik-Nobelpreises geht an die Erfinder des CCD, eines Geräts, das Bilder in elektrische Signale umwandelt und damit die Fotografie und digitale Bildgebung revolutioniert.
Während Kaos Arbeit aus einer konzertierten Anstrengung heraus entstand, ein besseres Telekommunikationsmedium zu finden, war die von Boyle und Smith unerwartet. Sie entwickelten das CCD 1969 in den Bell Labs, nachdem sie während einer einstündigen Brainstorming-Sitzung das grundlegende Design skizziert hatten. Das Prinzip hinter dem CCD ist der photoelektrische Effekt, der teilweise von Albert Einstein theoretisiert wurde und ihm den Nobelpreis 1921 . Beim Beschuss mit einem Photon emittieren manche Materialien ein Elektron. Das Design von Boyle und Smith ist ein Siliziumchip, dessen Oberfläche mit einem Gitter aus Kondensatoren bedeckt ist, die die Elektronen speichern, die beim Beleuchten des Chips entstehen. Jeder Kondensator ist ein Pixel. Die Anzahl der an jedem Kondensator gespeicherten Elektronen ist proportional zur Intensität des Lichts in diesem Teil des Bildes. Das Bild kann ausgelesen werden, indem die Ladungen vom CCD abgezogen werden.
Der Vorteil des CCD gegenüber lichtempfindlichen chemischen Filmen und sogar dem menschlichen Auge ist seine hohe Empfindlichkeit. Über das gesamte Lichtspektrum, von Infrarot bis Röntgenstrahlen, können CCDs 90 Prozent der einfallenden Photonen einfangen. Das Auge oder eine Filmkamera fängt nur 1 Prozent dieser Photonen ein.
Ein Jahr nach ihrer Erfindung stellten Boyle und Smith eine Videokamera auf Basis des digitalen Bildsensors her; 1981 brachte Sony die erste CCD-Kamera , die Mavica. Astronomen waren Early Adopters und haben die Sensoren verwendet, um Bilder von entfernten Himmelsobjekten aufzunehmen, die bisher unsichtbar waren.
Heute sieht sich der CCD einer Konkurrenz durch einen anderen, ungefähr zur gleichen Zeit entwickelten Digital-Imaging-Chip – CMOS (komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter) – ausgesetzt. Beide Geräte beruhen auf dem photoelektrischen Effekt. Während der CCD Elektronen in einem einzigen Strom zum Auslesen vom Chip leitet, werden die Daten von CMOS-Pixeln vor Ort ausgelesen, was Strom spart und die Batterielebensdauer verlängert. CMOS ist jedoch nicht so empfindlich wie CCD, was immer noch Vorteile für fortgeschrittene Anwendungen wie Astronomie und medizinische Bildgebung bietet.