Die drei in den USA lebenden Quantenforscher David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz erhalten den Physik-Nobelpreis für ihre Erkenntnisse zu exotischen Zuständen von Materie. Das wird in Zukunft völlig neue Materialien ermöglichen.

Stuttgart - Wenn es um Festkörperphysik geht, denkt man nicht unbedingt an Bagel und Brezeln. Und doch haben die Mitglieder der königlich-schwedischen Akademie in Stockholm gestern zu diesen Snacks gegriffen, um die für Laien schwer verdaulichen Erkenntnisse von David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz zu veranschaulichen.

 

„Sie haben schöne Mathematik und profunde Einblicke in die Physik kombiniert und damit unerwartete Ergebnisse erzielt, die durch Experimente bestätigt wurden“, schwärmte der Juror Thors Hans Hansson, der als Physik-Professor der Universität Stockholm lehrt.

Um das zu zeigen, griff er bei der Pressekonferenz zu Zimtschnecke, Bagel und Brezel. Diese drei Gebäcksorten, sagt er, würden sich in der jeweiligen Anzahl der Löcher unterscheiden. Angenommen, jedes Gebäck zeige einen der drei Zustände entlang eines sogenannten Phasenübergangs, wie ihn die drei Forscher in den ausgezeichneten Arbeiten beschrieben – dann ereignet sich die Verwandlung von einer Zimtschnecke zu einem Bagel nicht etwa allmählich, sondern sprunghaft. Es gibt also keinen Übergangszustand zwischen Zimtschnecke und Bagel mit einem halben Loch. Es gibt nur zunächst den einen Zustand und kurz darauf den anderen. Hintergrund des Vergleichs ist die Erkenntnis, dass sich Eigenschaften wie etwa die elektrische Leitfähigkeit von Materie bei sehr niedrigen Temperaturen auch sprunghaft verändern.

„Die Tür zu einer völlig neuen Welt geöffnet“

Natürlich geht es in der Arbeit der drei Quantenforscher nicht um Gebäck. Stattdessen haben sie mathematische Topologien benutzt, um zu beschreiben, wie sich Materie jenseits der üblichen Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig verhält. Diese exotischen Zustände treten etwa bei extrem niedrigen Temperaturen auf. „Die Arbeit der drei Preisträger hat die Tür zu einer völlig unbekannten Welt geöffnet, in der die Materie in fremdartigen Zuständen existiert“, begründet die königlich-schwedische Akademie ihre Entscheidung. Damit hätten sie die Entwicklung innovativer Materialien ermöglicht. Es handle sich um eine Theorie von „großer Schönheit“.

Die Wahl kam überraschend: Im Vorfeld waren durchweg andere Kandidaten gehandelt worden. Es sei erstaunlich, dass der Preis für eine Grundlagentheorie vergeben wurde, „die vielleicht irgendwann einmal angewendet wird“, wunderte sich Rolf-Dieter Heuer, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. „Das Komitee hat die Kraft zu überraschen.“

Der Materialforscher Henning Riechert vom Berliner Paul Drude-Institut für Festkörperelektronik zeigte sich weniger überrascht. „Diese Arbeiten haben ein übergreifendes Konzept geschaffen, das existierende Phänomene auf eine neue und einfache Art beschreibt.“ Mit ihrer Hilfe sei es nun möglich, Phänomene aus ganz unterschiedlichen Bereichen näher zu erforschen, sei es nun Magnetismus oder Stromfluss in Supraleitern – Material also, das Strom mit extrem wenig oder wenig Widerstand leitet. In den vergangenen Jahren hätten die Arbeiten der drei viele weitere Veröffentlichungen nach sich gezogen, es habe einen wahren Hype gegeben. „Ich habe die Hoffnung, dass man nun elektronische Zustände findet, die besonders robust gegen Störungen von außen sind“ sagt Riechert. „So gesehen ist es eine tolle Wahl.“

Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Physik

Von einem Phasenübergang sprechen Physiker beispielsweise, wenn Eis sich erwärmt und schmilzt. Es geht von einem relativ geordneten Zustand in einen weniger geordneten über, nämlich in Wasser. Die Phasenübergänge, die die drei ausgezeichneten Physiker erforschen, treten in ganz anderen physikalischen Bereichen auf – etwa bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Sie widmeten ihre Aufmerksamkeit beispielsweise einem Phasenübergang, der sich in einer sehr dünnen Schicht extrem kalter Materie abspielt. Ein solcher unterscheidet sich von dem zuvor genannten Übergang zwischen Eis und Wasser: Hier ändert sich der Zustand stufenweise, nicht allmählich. Dies sei eine der wichtigsten Erkenntnisse der Festkörperphysik des zwanzigsten Jahrhunderts gewesen, heißt es in der Begründung der Akademie.

Damit lieferte Thouless 1983 im übrigen auch eine topologische Erklärung dafür, was beim Quanten-Hall-Effekt passiert. Diese Naturkonstante beim elektrischen Widerstand hatte der Stuttgarter Physiker Klaus von Klitzing drei Jahre zuvor entdeckt. 1985 hat er für seine Entdeckung ebenfalls den Physik-Nobelpreis erhalten.

Die Bedeutung der Forschungsergebnisse sei ihnen damals nicht sofort klar gewesen, sagte Duncan Haldane im Telefoninterview während der Pressekonferenz in Stockholm. Auch heute habe man noch nicht alle Möglichkeiten verstanden, die dadurch entstünden.„Wir stehen erst am Anfang“, glaubt der Preisträger.

Die Preisträger und ihr Werdegang

Alle drei Preisträger stammen aus Großbritannien, leben aber in den USA:

David Thouless wurde 1934 im schottischen Bearsden geboren, und machte seinen Doktor 1958 an der Cornell Universität. Zuletzt arbeitete er an der University of Washington in Seattle und emeritierte 2003.

Duncan Haldane wurde 1951 in London geboren, machte seinen Doktor 1978 in Cambridge und lehrt an der Universität Princeton.

Michael Kosterlitz ist 1942 in Aberdeen geboren, promovierte 1969 in Oxford und lehrt an der Brown University in Providence, Massachusetts.

Reaktion
Duncan Haldane wurde per Telefon zur Pressekonferenz zugeschaltet. Geistesgegenwärtig gab er eine Einführung in seine Arbeit. „Nach so etwas sucht man nicht, da stolpert man drüber.“ Dass er Physiker geworden sei, habe er den unkonventionellen Ideen eines Lehrers zu verdanken. Er sei „sehr, sehr dankbar“ für den Preis.