Physiknobelpreis 2016: "Tür zu einer unbekannten Welt, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann"

Zuerst veröffentlicht am 04/10/2016 - 14:30

David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz erhalten den Physik-Nobelpreis 2016 für die Beschreibung exotischer Materiezustände.

David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz erhalten den Physik-Nobelpreis 2016 für die Beschreibung exotischer Materiezustände. Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften zeichnete die drei britischen Physiker, die an US-Universitäten lehren, “für theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Materiephasen” aus.

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— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 4, 2016

Die Topologie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit der Eigenschaft mathematischer Strukturen und ihrer schrittweisen Veränderung beschäftigt.

Ein Phasenübergang findet statt, wenn sich die Materiephasen ändern, zum Beispiel wenn Wasser zu Eis gefriert oder Wasserdampf zu Wasser kondensiert.

Thouless, Haldane und Kosterlitz haben untersucht, wie sich Materiezustände durch extrem hohe oder niedrige Temperaturen verändern, wenn sie nicht mehr fest, flüssig oder gasförmig vorliegen.

“Die Geehrten haben eine Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann”, heißt es in der Begründung. Praktische Relevanz könnten die Arbeiten für Quantencomputer haben.

Die Theorien der drei Preisträger sind nicht einfach zu verstehen. Die drei bekanntesten Zustände von Materie kennt jeder: gasförmig, flüssig, fest. Unter bestimmten Bedingungen kann Materie aber auch exotischere Zustände annehmen und ungewöhnliche Eigenschaften entwickeln.

Dazu gehören beispielsweise sogenannte Superkonduktoren, in denen Strom besonders leicht fließen kann, aber auch sogenannte Superfluide oder dünne magnetische Schichten. Mit ihren Theorien machen es Thouless, Haldane und Kosterlitz möglich, diese Phänomene zu erklären.

“Dank ihrer Pionierarbeit ist die Jagd auf neue und exotische Zustände von Materie eröffnet”, teilte die Nobel-Jury mit.

Thouless, Haldane und Kosterlitz konnten in den 70er und 80er Jahren anhand sogenannter topologischer Konzepte unter anderem erklären, wie und warum extrem dünne Materialschichten von einem Zustand in den anderen wechseln und wieso das Auswirkungen auf die Eigenschaften hat.

Kosterlitz und Thouless zeigten Anfang der 70er-Jahre, dass entgegen der bis dahin geltenden Theorie Supraleitung, also der völlig verlustfreie Transport von Strom, auch in dünnen Schichten möglich ist.

In den 80er Jahren entwickelten Thouless und Haldane theoretische Konzepte, die im Widerspruch zu bis dahin geltenden Annahmen standen, welche Materialien Strom leiten, speziell bei sehr niedrigen Temperaturen und in starken Magnetfeldern.

Mit Hilfe der Topologie konnte Thouless den Quanten-Hall-Effekt theoretisch beschreiben, für dessen Entdeckung der deutsche Physiker Klaus von Klitzing 1985 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde.

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Auf den Arbeiten von Thouless, Haldane und Kosterlitz ruhen große Hoffnungen. Sie könnten zu neuen Materialien führen, die neuartige Anwendungen in der Materialwissenschaften und der Elektronik möglich machen, meint der Geschäftsführer des Amerikanischen Instituts für Physik, Robert Brown.

Mann könnte elektronische Zustände findet, die besonders robust gegen Störungen von außen sind, hofft Henning Riechert vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin.