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Physik-Nobelpreis 2014: Höchste Ehre für die Herren des blauen Lichts

Von

Corbis

Strom effizient in Licht umwandeln - diese technische Meisterleistung verdanken wir drei japanischen Physikern. Ohne die blauen LEDs wäre manches Handyfoto ziemlich dunkel. Dafür erhielt das Trio den Physik-Nobelpreis.

Den Physik-Nobelpreis des Jahres 2014 hat fast jeder von uns längst in der Tasche. Denn das Blitzlicht eines modernen Handys nutzt weiße Leuchtdioden - kurz LEDs. Diese weißen Leuchten basieren auf blauen LEDs - und für deren Entwicklung hat das Nobel-Komitee in Stockholm nun drei Physiker aus Japan ausgezeichnet.

Leuchtdioden wandeln Strom direkt in Licht um. Sie sind, wenn man so will, die Umkehrung einer Solarzelle. Die rote LED wurde bereits Ende der Fünfzigerjahre erfunden, ein paar Jahre später folgte die grüne LED. Um weißes LED-Licht mischen zu können, fehlte aber noch eine blaue Version. Doch die Entwicklung blauer LEDs erwies sich als äußerst schwierig - bis Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura im Jahr 1992 der Durchbruch gelang.

Akasaki und sein Doktorand Amano erforschten die aus Halbleitern bestehenden Dioden an der Universität Nagoya, wo sie auch heute noch arbeiten. Nakamura arbeitete parallel dazu als Angestellter einer japanischen Firma an blauen LEDs und entwickelte eine technisch ähnliche, aber nicht identische Diode.

"Das in blauen LEDs genutzte Material Galliumnitrid galt lange als unbeherrschbar", sagt Henning Riechert, Professor für Materialwissenschaften an der Humboldt-Universität Berlin. Das Potenzial des Materials sei seit den Siebzigerjahren bekannt gewesen, Forscher weltweit hätten an der Entwicklung blauer LEDs gearbeitet, aber erst Akasaki, Amano und Nakamura hätten die Probleme lösen können.

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Physik-Nobelpreis 2014: Die Erfinder der blauen Leuchtdiode
Die erste Schwierigkeit, an der alle Forscher zuvor gescheitert waren, war die Herstellung des Galliumnitrid-Kristalls. Es gelang den Japanern schließlich, die Kristalle auf dem Mineral Saphir zu züchten.

Das zweite Problem war die P-Dotierung. In der sogenannten p-Schicht des Halbleiters fehlen Elektronen, in der n-Schicht sind sie im Überschuss. Nach Anlegen einer Spannung wandern die Elektronen von der n- zur p-Schicht, die Elektronenlücken bewegen sich in umgekehrte Richtung. Lücken und Elektronen treffen sich in der aktiven Schicht zwischen p- und n-Schicht. Bei diesem als Rekombination bezeichneten Vorgang wird Licht emittiert, dessen Wellenlänge von dem Material abhängt, aus dem der Halbleiter besteht.

Diese P-Dotierung herzustellen, erwies sich als sehr schwierig. Den japanischen Forschern half bei der Lösung - wie so oft in der Wissenschaft - der Zufall. "Akasaki und Amano hatten das Galliumnitrid immer wieder mit einem Elektronenmikroskop untersucht", berichtet der Berliner Halbleiterexperte Riechert. Dabei habe sich herausgestellt, dass das Material nach der Untersuchung auf einmal die gewünschten Eigenschaften hatte.

Nakamura konnte schließlich die Erklärung dafür liefern: Durch den Beschuss mit Elektronen im Mikroskop wird Wasserstoff aus dem Kristall herausgelöst - und plötzlich funktionierte die blaue LED.

"Ich freue mich sehr über die Entscheidung des Nobel-Komitees", sagt Edward Krubasik, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Die Entdeckung blauer LEDs zeige, wie viel Physiker zum Wohlergehen der Menschheit beitragen könnten.

In der Tat gilt die LED als die Glühbirne des 21. Jahrhunderts. Sie ist langlebig und hocheffizient - etwa 40 Prozent des Stroms werden in Licht umgewandelt. Und sie kommt anders als Energiesparlampen ohne giftige Substanzen aus.

Weißes Licht lässt sich mit blauen LEDs auf zwei Wegen erzeugen: Entweder man kombiniert blaue, rote und grüne LEDs, wie dies beispielsweise an großen Anzeigetafeln in Sportstadien geschieht. Oder aber man nutzt eine zusätzliche photolumineszierende Schicht, die kurzwelliges Licht der blauen LED in längerwelliges grünes oder rotes Licht umwandelt.

Das Potenzial der blauen und weißen LEDs ist enorm. Vor allem bei fehlender permanenter Stromversorgung können die sparsamen Dioden, wenn man sie mit Solarzellen und Akkus kombiniert, Licht in bislang dunkle Regionen bringen. Auch hoch entwickelte Länder profitieren enorm von LEDs, weil sie den Stromverbrauch stark senken und so die Energiewende erleichtern.

Olle Inganäs vom schwedischen Nobel-Komitee freut sich vor allem über den enormen praktischen Nutzen der Entdeckung: "Wir sehen die Auswirkungen dieser Erfindung, wir sehen sie auf der Straße, überall." Die Nutzung würde Alfred Nobel sehr glücklich machen.

Akasaki, Amano und Nakamura bekommen den Nobelpreis 22 Jahre nach der Entwicklung der blauen LED. Ein langer Zeitraum - aber die Spanne zwischen der wissenschaftlichen Entdeckung und der Verleihung dafür ist in den vergangenen Jahrzehnten immer größer geworden. Bis in die Vierzigerjahre lag die Wartezeit für Physiker nur in Ausnahmefällen bei mehr als 20 Jahren. Die Regel waren eher 10 Jahre (siehe interaktives Diagramm). Ab 1960 stieg die mittlere Zeitspanne immer weiter an, mittlerweile beträgt sie 25 bis 30 Jahre.

Santo Fortunato von der Aalto University in Finnland, hält die immer längeren Wartezeiten für ein Problem: "Wenn sich dieser Trend fortsetzt, werden einige Kandidaten nicht lange genug leben, um den Preis zu bekommen." Dies könne langfristig sogar dem Ansehen des Nobelpreises schaden.

Die drei Japaner dürfte das im Augenblick kaum beschäftigen. Sie können sich auf die feierliche Zeremonie am 10. Dezember in Stockholm freuen, bei der ihnen der König von Schweden die Medaillen überreichen wird. Im Saal werden diverse blaue LEDs leuchten. Was will man mehr?

Mitarbeit: Kristin Hüttmann

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insgesamt 17 Beiträge
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1. Wozu ist das?
Krasputin 07.10.2014
"Das ist blaues Licht." "Und was macht es?" "Es leuchtet blau."
2. Licht...
Layer_8 07.10.2014
...ohne viel Strom und Abwärme. So "naturnah" wie möglich. Das ist das Verdienst dieser Forscher und mit Recht mit dem Nobelpreis belohnt. Jetzt warte ich auf erschwingliche effiziente LED-Beamer, und mein Handy bekommt erstaunliche neue Anwendungen :-)
3. Nicht nur das Handyfoto wäre dunkel ...
JaguarCat 07.10.2014
... auch viele Handydisplays (z.B. die aller iPhones) würden ohne blaue LEDs nicht leuchten. Inzwischen verwenden aber immer mehr Displays OLEDs als Leuchtmittel - dort ist bald der nächste Nobelpreis fällig.
4. die zeitspanne wird beim physik nobelpreis immer größer ?
sci666 07.10.2014
und beim friedensnobelpreis immer kleiner, so hat obama ihn sogar vor (!) jeglicher leistung erhalten .... und mittlerweile sollte er ihn lieber wieder abgeben !
5. Oh mann...
lce 07.10.2014
Bildunterschrift Bild 7: "Abhängig vom Material des verwendeten Materials..." Schlussredakteur im Urlaub? Sowas muss doch auffallen.
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Physik-Nobelpreisträger seit 1999
2015
2014
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura aus Japan für die Entwicklung von Leuchtdioden, die blaues Licht emittieren. Sie bilden die Grundlage für weiße LEDs.
2013
François Englert (Belgien) und Peter Higgs (Großbritannien) für die Entwicklung des Mechanismus, der zum Verständnis des Ursprungs der Masse subatomarer Teilchen beiträgt. Dieser wurde durch die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 am Kernforschungszentrum Cern bestätigt.
2012
David Wineland (USA) und Serge Haroche (Frankreich) für ihre Arbeit zur Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Ihnen war es gelungen, einzelne Quantenpartikel zu messen und zu kontrollieren, ohne sie zu zerstören, was den Weg zu revolutionären Quantencomputern ebnen könnte.
2011
Die Amerikaner Saul Perlmutter und Adam Riess sowie der US-Australier Brian Schmidt für ihre Forschungen zur Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung ferner Sternenexplosionen, sogenannter Supernovae.
2010
Andre Geim und Konstantin Novoselov erhalten die Auszeichnung für die fundamentale Entdeckung der zweidimensionalen Kohlenstoffstruktur Graphen.
2009
Charles Kuen Kao für seine Arbeit auf dem Gebiet der schnellen Datenübertragung durch Glasfasern. Willard Boyle und George Smith teilen sich die zweite Hälfte des Preises für die Erfindung des lichtempfindlichen CCD-Chips, der heute in den meisten Digitalkameras eingebaut ist.
2008
Yoichiro Nambu (USA), Makoto Kobayashi (Japan) und Toshihide Maskawa (Japan) für die Entdeckung und Erklärung sogenannter Symmetriebrechungen in der Teilchenphysik, die das Verständnis der Natur entscheidend verbessert haben.
2007
Peter Grünberg (Deutschland) und Albert Fert (Frankreich) für die Entdeckung des "Riesenmagnetowiderstands" , durch den sich die Speicherkapazität von Computer-Festplatten drastisch erhöhen ließ.
2006
John C. Mather und George F. Smoot (beide USA) für die Entdeckung der Saat der Galaxien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem "Echo des Urknalls".
2005
Roy J. Glauber (USA) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (USA) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer laserbasierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.
2004
David J. Gross , H. David Politzer und Frank Wilczek (alle USA) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.
2003
Alexej Abrikosow (USA und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) und Anthony Leggett (USA und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigkeiten.
2002
Raymond Davis (USA), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (USA) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.
2001
Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (USA) und Carl E. Wieman (USA) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.
2000
Herbert Kroemer (Deutschland), Zhores Alferow (Russland) und Jack Kilby (USA) für die Herstellung integrierter Schaltkreise und des Halbleiter-Lasers.
1999
Gerardus 't Hooft und Martinus J.G. Veltman (beide Niederlande) für ihre Beiträge zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung.

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Physik-Nobelpreis 2013: Ehrung für Higgs und Englert
Ehrung mit Weltrang - die Nobelpreise
Der Stifter
Mit der Stiftung der Nobelpreise wollte der schwedische Forscher und Großindustrielle Alfred Nobel (1833-1896) einen Konflikt lösen, der sein Leben bestimmte: Der Dynamit-Erfinder konnte nicht verwinden, dass seine Entdeckung für den Krieg genutzt wurde. Als "Wiedergutmachung" vermachte er sein Vermögen einer Stiftung, aus deren Zinsen Preise für jene finanziert werden sollten, die "im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben". Nobel selbst hatte mehr als 350 Patente angemeldet.
Die Auszeichnungen
Die Preise werden seit 1901 vergeben. Die Dotierung stieg von anfangs 150.800 Kronen auf zehn Millionen Kronen (eine Million Euro), wurde 2012 aber wegen der Wirtschaftskrise wieder auf acht Millionen Kronen gesenkt. Bis zu drei Menschen können sich einen wissenschaftlichen Preis teilen. Der Friedensnobelpreis wird auch an Organisationen verliehen. Höhepunkt ist stets die feierliche Verleihung der Auszeichnungen am 10. Dezember, dem Todestag von Nobel.
Die Kategorien
Die Preisträger für Physik und Chemie werden immer von der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die der Medizin vom Karolinska-Institut in Stockholm und die Literaturpreisträger von der Königlich-Schwedischen Akademie der Künste ausgewählt. Die Friedenspreisträger bestimmt ein Ausschuss des norwegischen Parlaments in Oslo.
Die Alternativen
Neben den eigentlichen Nobelpreisen wird seit 1969 eine Ehrung für Wirtschaftswissenschaften in Gedenken an Alfred Nobel verliehen. Sie wurde 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet. Seit 1980 vergibt die "Stiftung zur Auszeichnung richtiger Lebensführung" (Right Livelihood Award Foundation) die Right Livelihood Awards, die oft als alternative Nobelpreise bezeichnet werden.


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