Physik-Nobelpreis 2016 Die Antwort liegt in der Brezel

Materie kann verrückte Zustände annehmen. Wichtige Theorien dafür entwickelten die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger. Vielleicht werden sie eines Tages in sogenannten Quantencomputern genutzt.

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Ein Elektron ist keine Billardkugel - so einfach kann Physik manchmal sein. Wegen der extremen Größenunterschiede gelten für beide unterschiedliche physikalische Gesetze. Bei der Billardkugel ist das die aus dem Alltag bekannte klassische Mechanik. Beim Elektron sind es die Regeln der Quantenphysik.

Doch manchmal scheinen beide Welten auch nahe beieinanderzuliegen. Eigentlich extrem kleine Quantensprünge treten dann im Großen auf. Das zeigen die Arbeiten von David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz, für die sie nun mit dem Physik-Nobelpreis 2016 geehrt wurden.

Der Nobelpreis für Physiker ist mit umgerechnet etwa 830.000 Euro (8 Millionen Schwedischen Kronen) dotiert. Eine Hälfte erhält Thouless, die andere geht an Haldane und Kosterlitz. Alle forschen in den USA.

"Tür zu einer unbekannten Welt"

Die drei hätten "eine Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann", heißt es in der Begründung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften.

Die Ehrung für die drei Briten war allerdings eine Überraschung. Viele hatten mit einem Preis für die Entdeckung der Gravitationswellen gerechnet. Doch das Nobelkomitee hat die Physikergemeinde einmal mehr verblüfft.

Thouless und Kosterlitz haben sich in den Siebzigerjahren mit Phasenübergängen auf Oberflächen beschäftigt. Aus dem Alltag kennen wir die Phasenübergänge von fest zu flüssig und von flüssig zu gasförmig.

Theorie für Quanten-Hall-Effekt

Die von Thouless und Kosterlitz untersuchten Übergänge waren allerdings von anderer Natur. Es geht dabei um Drehimpuls-Änderungen von Teilchen (Spins) - auch bezeichnet als Kosterlitz-Thouless-Übergänge. Beide Forscher hätten ein "neues Verständnis für solche Phasenübergänge entwickelt", erklärte das Nobelkomitee.

Thouless und Haldane, der dritte Nobelpreisträger 2016, überraschten die Fachwelt in den Achtzigerjahren mit einer neuen theoretischen Erklärung für den sogenannten Quanten-Hall-Effekt. Er war 1980 von dem deutschen Physiker Klaus von Klitzing entdeckt worden, 1985 bekam er dafür den Physik-Nobelpreis.

Klitzing hatte dünne Schichten zwischen zwei Halbleitern in immer stärkeren Magnetfeldern untersucht. Dabei stellte er fest, dass sich der elektrische Widerstand nicht linear, sondern in Stufen erhöht. Ein solches Phänomen kannten Physiker bis dahin eigentlich nur aus der Quantenwelt. Der untersuchte Halbleiter war allerdings viel zu groß, um solche Quanteneffekte zu zeigen.

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Physik-Nobelpreis 2016: Topologische Materialien

"Das war verblüffend", sagt Piet Brouwer von der Freien Universität Berlin. Es habe sich gezeigt, dass die beobachtete Quantisierung umso besser wurde, je größer ein System sei.

Neue Form von Elektronik

Thouless und Haldane nutzten für ihre Erklärung Methoden der Topologie. In diesem Teilgebiet der Mathematik geht es um Eigenschaften von Objekten, die sich durch Verformung nicht ändern. Ein Donut beispielweise lässt sich zu einer Tasse mit Henkel umformen, denn topologisch gesehen, sind beide gleich: Sie haben genau ein Loch.

Dinge können nur eine ganzzahlige Anzahl von Löchern haben - bei einem Donut ist es eins, bei einer Bretzel sind es je nach Form zwei oder drei. Dieses Prinzip erwies sich als hilfreich in der neuen Theorie von Thouless und Haldane. Sie wird inzwischen von Festkörperphysikern genutzt, um Eigenschaften neuer Materialien vorherzusagen. Man spricht daher auch von topologischen Materialien.

"Physiker sind begeistert von topologischen Materialien", erklärt der Berliner Forscher Brouwer. "Sie haben Eigenschaften, die wir von keinen anderen Materialen kennen." Zum Beispiel hänge die Bewegungsrichtung von Elektronen in solchen Materialien von ihrem Drehimpuls (Spin) ab. "Damit könnte eine neue Form von Elektronik möglich werden." Es gebe aber bisher noch keine praktischen Anwendungen, betont Brouwer.

Feier mit finnischem Bier

Die überraschende Nachricht vom Nobelpreis erreichte Michael Kosterlitz an einem ungewöhnlichen Ort. "Ich sitze gerade in einem Parkhaus in Helsinki", sagte er dem schwedischen Radio. Der Forscher hält sich für ein zweimonatiges Sabbatical in Finnland auf.

Mit dem Nobelpreis hatte der Sohn deutsch-jüdischer Emigranten, der 1942 im schottischen Aberdeen zur Welt kam, nicht mehr gerechnet. Die zugrundeliegende Arbeit liege ja bereits lange zurück. "Ich war zwar einige Male nominiert. Aber heute war ich dann mehr als nur etwas überrascht", sagte er. Die Auszeichnung werde er mit Freunden und ein paar finnischen Bieren feiern.

"Sie haben schöne Mathematik und profunde Einblicke in die Physik kombiniert und damit unerwartete Ergebnisse erzielt, die durch Experimente bestätigt wurden", sagte Nobeljuror Thors Hans Hansson.

Womöglich helfen die Arbeiten der drei Forscher auch bei der Entwicklung von Quantencomputern. Darin könnten sogenannte topologische Supraleiter zum Einsatz kommen, die anders funktionieren als herkömmliche Supraleiter.

Aber ganz egal, wann und ob überhaupt Quantencomputer den Alltag erobern, der Berliner Physiker Brouwer hält die Arbeiten der drei Laureaten so oder so für bahnbrechend: "Sie haben gezeigt, wie wichtig topologische Ideen in der Festkörperphysik sind."

Zusammenfassung: Der Physik-Nobelpreis 2016 geht an drei Forscher, die Phasenübergänge in dünnen Schichten untersucht haben. David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz nutzten für die Beschreibung der exotischen Materialien Methoden aus der Topologie, ein Teilgebiet der Mathematik. Eines Tages könnten mit solchen topologischen Materialien neuartige elektronische Bauteile und Quantencomputer gebaut werden.

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