Ausgabe 01/2016 - Schwerpunkt Befreiung

Angel Rubio

Aufbruch ins Unbekannte

• Sein Lebenslauf hat 81 Seiten. Seine wissenschaftlichen Aufsätze sind 22 981-mal zitiert worden. Auf Youtube hat er 188 Views. Diese Zahlen sagen viel über Angel Rubio, Professor für Theoretische Physik. Der 50-Jährige ist ein Star auf dem Gebiet der Kondensierten Materie, das er mit erfunden und geprägt hat. Er hat der Physik neue Forschungsfelder eröffnet. „Das ist eine besondere Fähigkeit: das Neue nicht nur zu entdecken, sondern es auch als neu zu erkennen“, sagt er. Und verweist auf den Niederländer Heike Kamerlingh Onnes, der vor hundert Jahren bei Experimenten beobachtete, dass Quecksilber unterhalb einer Temperatur von minus 269 Grad Celsius schlagartig seinen elektrischen Widerstand verlor – es wurde zum Supraleiter. Ein Verhalten, das physikalisch bis dahin nicht zu erklären war.

Heute ist Rubio eine Art Geograf für Experimentalphysiker. Er sagt voraus, was sie im Neuland des bislang Unerforschten finden müssten. Und er entwickelt ihre theoretischen Werkzeuge. In seinen Kreisen mag Rubio ein Star sein, außerhalb ist er kaum jemandem ein Begriff. Der Youtube-Clip mit den 188 Aufrufen ist ein Interview, das er gegeben hat zur höchsten Auszeichnung seiner Karriere im November 2014: der Medaille „Premios Rey Jaime I“ für Grundlagenforschung, ausgewählt von einer Jury, der 19 Nobelpreisträger angehörten. Sonst hält sich Rubio mit öffentlichen Auftritten zurück. Kein TED-Talk, kein Talkshow-Auftritt, und es findet sich auch kein populärwissenschaftliches Buch in seinem Lebenslauf. Dafür Aufsätze mit Titeln wie „Theorie der graphitischen Bornitrid-Nanoröhrchen“. Dahinter verbergen sich Berichte aus einer Welt, in der sich für wenige Sekundenbruchteile Materialien völlig verändern. Eine Welt, in der die Gesetze der alten Physik außer Kraft gesetzt scheinen. Zumindest für denjenigen, der sie entschlüsseln kann. Das sind nicht viele.

Adolf von Harnack, einer der ersten Wissenschaftsmanager in Preußen, schrieb vor mehr als hundert Jahren in einer Denkschrift: „Man soll sich in der Forschung auf die wirklich exzellenten Köpfe konzentrieren und diese so ausstatten, dass sie ihre Ziele verwirklichen können.“ So kam auch Albert Einstein nach Berlin zur Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. Inzwischen heißt sie Max-Planck-Gesellschaft. Die Physik braucht heute, um die großen offenen Fragen zu entschlüsseln, gigantische Großforschungsanlagen, deren Planung Jahrzehnte dauert und deren Kosten in die Milliarden gehen. Doch das Geniale-Köpfe-Prinzip zählt immer noch in der Max-Planck-Gesellschaft. Ihr neues Institut, gewidmet der „Struktur und Dynamik der Materie“, entsteht in Hamburg-Bahrenfeld auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotons (Desy) um drei brillante Köpfe herum: Andrea Cavalleri, Spezialgebiet Dynamik Kondensierter Materie, R. J. Dwayne Miller, Spezialist für die Dynamik in atomarer Auflösung, und Angel Rubio, hinter dessen Namen die Max-Planck-Gesellschaft nur ein Wort gesetzt hat: Theorie.

Es hat Überzeugungskraft gebraucht, um Rubio zu einem Interview zu bewegen. Scheu schien er zu sein, scheu wie die exotischen Zustände der Materie, die er untersucht. Eine Stunde Gespräch am Telefon, dazu ist Rubio schließlich bereit. Er ist gerade in Spanien, dort hat er an der Universität des Baskenlandes noch eine Forschungsgruppe.

Die Fragen, die er stellt, klingen gar nicht kompliziert: Was passiert in den ultrakurzen Momenten, wenn Materialien plötzlich andere Eigenschaften annehmen? Was tun Systeme, wenn sie aus dem Gleichgewicht geraten? Welche Quantenmechanik ermöglicht die Fotosynthese in Pflanzen? Grundlagenforscher wie er müssten eigentlich die Popstars der Wissenschaft sein. Und doch kennt kaum einer ihn. Seine Entdeckungen macht er vor dem Bildschirm, sie sind versteckt in Daten, Kurven und Statistiken. Für Laien bleibt einer wie Rubio ein Alchemist, der aus Daten die Erkenntnis gewinnt, dass alltägliche Dinge wie das Blatt eines Baumes im tiefsten Inneren ganz anders aufgebaut sind, als wir es vermuten. Er versucht die merkwürdige Welt des Allerkleinsten zu verstehen – und das wird sehr schnell sehr kompliziert.

Grundlagenforschung ist Forschung auf Gebieten, auf denen kein Grund in Sicht ist. Im Jahr 2015 wurde die Max-Planck-Gesellschaft mit 1,7 Milliarden Euro gefördert. Dazu kommt Geld für die gigantische Maschine, der Freie-Elektronen-Laser für Röntgenlicht, genannt XFEL, der gerade entsteht. 1,22 Milliarden Euro soll der 3,4 Kilometer lange, unter Hamburg verlaufende Tunnel kosten. Es ist ein supraleitender Linearbeschleuniger. In ihm werden Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht, anschließend fliegen sie in einem Slalomkurs durch eine besondere Magnetanordnung. Dabei entsteht eine gebündelte Strahlung, ähnlich der eines Lasers. Mit der Kraft von bis zu 17,5 Milliarden Elektronenvolt werden dann Teilchen traktiert. Das ist 10 000-mal mehr, als das Röntgengerät in einer Arztpraxis auszusenden vermag. Es geht darum, flüchtige Ausnahmezustände herbeizuführen, für wenige Femtosekunden. Die Erkenntnis kostet Milliarden – sie entsteht in wenigen milliardstel Bruchteilen einer Milliardstel Sekunde.

Nützlichkeitserwägungen sind nicht sein Ding

Er sagt, seine Eltern hätten sich gefreut, wäre er Arzt, Anwalt oder Ingenieur geworden, etwas Praktisches eben. Doch er machte Karriere als Forscher: Diplom an der Universität Valladolid in Spanien, Aufenthalt an der University of California in Berkeley, Veröffentlichung folgte auf Veröffentlichung. „Es waren die vielen offenen Fragen, die mich in der Wissenschaft hielten.“ Rubio zog es in Richtung der mathematischen Theorie. Dabei stieß seine Forschungsgruppe vor 15 Jahren auf ein neues Phänomen: Sie sagten die Eigenschaften von Nanoröhrchen voraus. Als Experimente die Vorhersagen bestätigten, war das Rubios Durchbruch. Ein Treffer, auf den die Physik lange gewartet hatte. Eine Sensation. Ein Heureka-Moment? „Ja, schon“, sagt er.

Zwei Forschungsgebiete hat er erschlossen: Er beschrieb, wie sich neue Strukturen für die Nanotechnologie schaffen ließen, die für die Übermittlung elektromagnetischer Felder genutzt werden konnten. Und er entwickelte eine Theorie zur Erklärung der Aufnahme und Abgabe von Licht in Molekül-Strukturen. Dass in der belebten Natur fragile Quantenphänomene auftauchen, wie sie die Physiker in ihren Großforschungsanlagen beobachten, galt lange als unwahrscheinlich. Beispiel Fotosynthese: Offenbar nutzen Pflanzen Quanteneffekte, um aus Licht Energie zu gewinnen. Um sie im Detail zu verstehen, müssen verschiedene Theorien zusammenfinden. Rubio faszinierte die Frage, welches Grün das Chlorophyll der Blätter hat. Sie ist von Bedeutung, um die Fotosynthese besser zu verstehen. Alle bekannten Lösungsmittel hatten das Chlorophyll verändert und Messungen unmöglich gemacht.

Die Forscher dachten sich etwas Neues aus: Sie markierten das Chlorophyll mit positiv geladenen Ionen, was, wie Rubio nachwies, den Untersuchungsgegenstand kaum veränderte. In einem Vakuum beschossen sie die Moleküle mit Laserlicht, so konnten sie das Chlorophyll vermessen. Und stellten fest, dass das Grün der Pflanzen etwas blauer ist als gedacht. Mit dieser Antwort können Nichtwissenschaftler nicht viel anfangen. Aber dahinter verbirgt sich eines der größten Geheimnisse der Natur, dessen Lösung nun ein Stück näher gerückt ist. „Uns treibt nicht die Suche nach dem Nützlichen“, sagt Rubio. „Wir erweitern das Wissen.“

Rubio habe für sein Institut mit Bedacht Forscher gesucht, die Probleme von verschiedenen Seiten aus angehen, sagt sein Mitarbeiter Michael Ruggenthaler. Rubio wurde vor drei Jahren durch einen Aufsatz auf ihn aufmerksam: „Eigentlich nichts, das direkt zu meiner Arbeit gehörte, ein Beweis, den ich einfach machen wollte. Das hatte ihn offenbar auch schon länger umgetrieben.“ Rubio hat Ruggenthaler aus Innsbruck in sein Team geholt, er ist jetzt „Senior Post-Doc“ am neuen Institut. Und schätzt den Überblick, den Rubio hat. Ähnlich sieht das Michael Sentef, den Rubio in Bonn entdeckt hat: „Es gibt einen sehr klaren Zusammenhang. Einen Überlapp von allem.“

Der Chef sei ein Teamplayer, sagen sie, einer der neugierig zuhöre. Rubio gibt das Lob zurück: „Jeder am Institut hat gute Ideen. Erst das bringt einen doch selbst dazu, die richtigen Fragen zu stellen.“ Seine Aufgabe ist auch die eines Talentscouts für die Expedition ins Innere der Materie. „Berühmt sein, ausgezeichnet zu werden, das ist nicht wertvoll an sich. Aber es zieht gute Leute an, die kommen, um mit dir zu arbeiten.“

Florian Grüner, Professor für Beschleunigerphysik, sitzt im selben Gebäude wie Rubio. Und doch ist er ein ganz anderer Typ mit dem Drang in die Öffentlichkeit. „Wissen vom Fass“ hieß der Abend Mitte Oktober, an dem 30 Physiker in 30 Hamburger Kneipen auftraten, viele davon Grundlagenforscher. Grüner trat in der Heisenberg-Bar auf, wo es trotz des Namens sonst um Fußball geht. „Ich wollte dem normalen Steuerzahler erzählen, was wir tun“, sagt Grüner. „Sich zu stellen, das gehört zu unserem Job.“ Zweimal ist er in der ProSieben-Sendung „Galileo“ aufgetreten.

Einige Wochen später, an einem Abend im November, gibt es auf dem Desy-Gelände in Hamburg-Bahrenfeld ein Volksfest. Vor Gebäude 99, in dem Rubio im zweiten Stock sein Büro hat, stehen eine Bratwurstbude und ein Crêpes-Stand. Drinnen, im zweiten Stock des Gebäudes, dessen offene Architektur die Forscher schätzen, stellt sich das Max-Planck-Institut für Dynamik und Struktur der Materie erstmals der Öffentlichkeit vor.

Gibt es Licht am Ende des Tunnels?

Das Interesse ist groß. Tausende Besucher strömen in das Gebäude: Eine Nachwuchsgruppenleiterin sitzt vor zwei Weingläsern, die Moleküle darstellen und durch Schall schwingen, ein anderer Mitarbeiter hat zehn Metronome vor sich aufgebaut, sein Kollege hantiert mit einem Pendel, das an eine Stichsäge befestigt ist. Die Stars an diesem Tag sind blaue Frisbee-Scheiben. Die Direktoren des neuen Instituts sind nicht gekommen, weder Cavalleri noch Miller und auch nicht Rubio.

Dabei ist er ein einnehmender Redner. Wer sich nicht abschrecken lässt vom Titel „Zeitabhängige Dichtefunktionstheorie für nicht lineare Phänomene in Feststoffen und Nanostrukturen: Grundlagen und Anwendungen“, der erlebt auf Youtube einen begeisternden Wissenschaftler. Er spricht mit einer federnden Leichtigkeit, er lässt den Laserpointer über die komplexen Formeln sausen, er spricht dabei über die Physik an den Grenzen des Wissens. Es macht Spaß, ihm zuzuschauen, selbst wenn man nichts versteht. Am Ende zeigte er eine Folie: „Es ist die erste Pflicht des Professors, die Bedeutung des eigenen Gebiets etwas zu übertreiben – und die eigene Wichtigkeit für es.“

Das Zitat stammt aus der „Verteidigungsrede eines Mathematikers“, die Godfrey Harold Hardy 1940 verfasste. Er wollte die Anweisung als Ermunterung verstanden wissen, als Forscher nicht ständig zu fragen, ob das eigene Gebiet den Aufwand wert oder man selbst der Richtige dafür sei. Dieses Selbstvertrauen, der richtige Mann am richtigen Platz zu sein, strahlt auch Angel Rubio aus. Er sagt: „Angewandte Wissenschaft verbessert nur Techniken, die wir bereits haben: Sie macht sie etwas schneller, etwas energiesparender. Doch wenn man wirklich durchbrechen möchte zu etwas komplett Neuem, braucht man die Grundlagenforschung.“

Fast im Wochenrhythmus macht Rubio Entdeckungen, viele sind klein, zufällig, andere bedeutsam. Es ist dieser Kitzel des Neuen, der ihn weitersuchen lässt. Er sagt: „Man muss wissen, dass ein Phänomen noch nicht beobachtet wurde. Und dann muss man fühlen, dass das, was da vor einem liegt, wirklich neu ist.“ Diese Gabe haben nur wenige, und sie einem größeren Publikum zu vermitteln ist nicht Rubios Ding. „Vielleicht“, sagt er, „kommen wir gar nicht an die Leute heran. Aber eines Tages werden sie es verstehen. Vielleicht gibt es einen Abstand von 30 Jahren, bis unser Wissen sie erreicht.“

In seiner Laufbahn hat Rubio gelernt, in seine Reden das Wort „Anwendung“ einzustreuen. Doch wenn man ihn fragt, ob es konkrete Anwendungen gebe, dann lacht er, als habe man ihn ertappt. „Nicht wirklich. Unser Institut hat sich der Grundlagenforschung verschrieben. Aber es gibt natürlich immer dieses Licht am Ende des Tunnels, deshalb könnte die Grundlagenforschung in Zukunft möglicherweise Anwendung finden.“ Und dann verabschiedet er sich in die Welt der Femtosekunden und Quantensprünge.

Angel Rubio, der Mann mit dem 81-seitigen Lebenslauf, wird wohl auch künftig wenig Muße haben, Youtube-Videos zu drehen oder in Bars aufzutreten. Denn 2016 wird die Röntgenlaser- Großanlage XFEL den Betrieb aufnehmen und seinem Team ganz neue Möglichkeiten eröffnen, sagt er. „Vielleicht gibt es sehr schnell neue Erkenntnisse. Vielleicht dauert es etwas länger.“

Und vielleicht hat man sich auch nur im Kreis gedreht – auf eine sehr interessante Weise. ---

Supraleiter 

Bei einigen Materialien fällt der elektrische Widerstand beim Unterschreiten einer gewissen Temperatur plötzlich auf null – sie können Strom ohne Verlust leiten. Dieser Zustand lässt sich nicht mit klassischer Physik, sondern nur quantenmechanisch beschreiben.

Der Freie-Elektronen-Laser für Röntgenlicht XFEL

verläuft unterirdisch vom Desy in Hamburg bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld. Er erzeugt ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich. Mit ihm sollen Details von Zellen entschlüsselt und 3D-Aufnahmen aus dem Nanokosmos möglich werden.

Nano-Röhren

sind Hohlkörper mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern. Sie können seit 15 Jahren aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Mögliche Anwendungen werden intensiv erforscht, sind aber noch nicht in Sicht.

Vielteilchentheorie

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