Nobelpreis Physik 2016 für „exotische“ Materialzustände

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electronica gratuliert den Briten David Thouless, John Kosterlitz und Duncan Haldane zum Nobelpreis! Sie haben mit Hilfe abstrakter mathematischer Methoden eine Vielzahl konkreter Vorhersagen getroffen, die für zukünftige Elektronik und Quantencomputer wichtig werden könnten.

Alles blickt auf die Teilchenphysik oder Astronomie. Ganz klein oder ganz groß muss es eben sein. Dabei tun sich gerade dazwischen – in der Festkörperphysik – mysteriöse Welten auf. So etwa die der sogenannten topologischen Isolatoren. Sie sind im Innern elektrisch isolierend, an der Oberfläche und den Rändern jedoch nahezu widerstandsfrei leitend (supraleitend), und das mit erstaunlicher Stabilität.

Mit diesen Eigenschaften könnten sie nicht morgen, aber vielleicht übermorgen für die Nachfolger der gegenwärtigen Elektronik sorgen und endlich auch den Quantencomputern auf die Quantensprünge helfen.

Um zu verstehen, was bei den geheimnisvollen Isolatoren physikalisch vor sich geht, braucht es ein bestimmtes Teilgebiet der Mathematik – nämlich die Topologie. Sie untersucht die Eigenschaften geometrischer Körper, die durch Dehnen, Stauchen, Verbiegen oder Verdrillen nicht verändert werden. Daher stammt übrigens auch der akademische Witz, ein Topologe sei jemand, der einen Donut nicht von einer Kaffeetasse unterscheiden kann. Topologisch sind sie nämlich gleich, weil sie genau ein Loch haben. Eine Breze mit deren drei gehört nicht zur „Verwandtschaft“ oder wäre nicht homöomorph, wie der Mathematiker sagen würde.

Supraleitung in dünnen Schichten

Die drei britischen Forscher haben nun den Physik-Nobelpreis 2016 erhalten, weil sie mit den mathematischen Methoden der Topologie die ungewöhnlichen Phasen oder Zustände von Materie wie Supraleiter, Superflüssigkeiten oder dünne magnetische Filme beschrieben haben. Und das nicht erst vor kurzem.

So zeigten schon Anfang der 1970er Jahre Kosterlitz und Thouless, dass entgegen der damals geltenden Theorie der völlig ungehinderte Transport von Strom (Supraleitung) auch in dünnen, zweidimensionalen Schichten möglich ist. Ihre Arbeit dazu gilt „als eine der bedeutendsten Entdeckungen in der Festkörperphysik des 20. Jahrhunderts“, so das Nobelkomitee. Ein Phasenübergang ist zum Beispiel der Wechsel von fest nach flüssig – etwa das Schmelzen von Eis. Auf den beiden Seiten finden sich dann unterschiedliche Materiezustände mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften.

Wie die anderen Nobelpreise ist auch der für Physik mit 8 Millionen Schwedischen Kronen dotiert (ca. 830.000 Euro) dotiert. Die Verleihung findet am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel, in Stockholm statt.

 

 

Nobelpreis Physik

Der Nobelpreis geht an die Briten David Thouless, John Kosterlitz und Duncan Haldane. (Bild: AFP).