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Veröffentlicht: 04.10.2016, 18:55 Uhr

Physik-Nobelpreis 2016 Exotische Physik im Flachland

Der Physik-Nobelpreis geht an drei britische Theoretiker. Sie haben erklärt, warum Materie in zwei Raumdimensionen bisweilen recht seltsame Zustände annehmen kann.

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© AP In Stockholm war man sichtlich bemüht, den Begriff der mathematischen Topologie und damit den Inhalt des diesjährigen Physik-Nobelpreises anschaulich zu erklären. Eine Brezel musste dabei herhalten.

Nicht immer ist die Natur so einfach zu verstehen, wie wir es gerne hätten. Das wird besonders bei extremen Zuständen deutlich, etwa bei tiefsten Temperaturen, wenn plötzlich Quanteneffekte eine große Rolle spielen. Metalle beispielsweise, die man bis auf den Nullpunkt (minus 273 Grad) abkühlt, verlieren vollständig ihren elektrischen Widerstand und werden supraleitend. Edelgase verwandeln sich in Supraflüssigkeiten, die Wände hochkriechen und winzige Ritzen durchdringen können, die nicht einmal ein Gas durchdringen kann. Aber auch tiefgekühlte magnetische Materialien, die als dünne Schichten vorliegen, zeigen dann ein seltsames Verhalten.

Manfred Lindinger Folgen:

Dass man diese exotischen Zustände heute so viel besser versteht und praktisch zu nutzen weiß, ist nicht zuletzt Theoretikern wie David Thouless, Duncan Haldane und John M. Kosterlitz zu verdanken. Den drei britischen Theoretikern wird für ihre grundlegenden Arbeiten der diesjährige Nobelpreis für Physik zuerkannt. Sie hätten eine Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann, begründete das Nobel-Komitee des Karolinska-Instituts in Stockholm seine Entscheidung.

Kein Widerstand, keine Reibung

Quantenphänomene entziehen sich normalerweise der Alltagswelt und lassen sich oft nur an einzelnen Atomen oder Molekülen studieren. In gewissen Situationen aber legen auch makroskopische Objekte, die aus vielen Atomen und Elektronen bestehen, ein Verhalten an den Tag, das nur mit der Quantentheorie zu verstehen ist. Dazu zählen unter anderem die Supraleitung und die Suprafluidität. Der Grund für diese seltsam anmutenden Phänome sind Ordnungseffekte, die bei extremer Kälte in vielen Stoffen auftreten. Sie zwingen den normalerweise sich ungeordnet bewegenden Elektronen oder Atomen ein kollektives Verhalten auf. Die Folge ist, dass bei extrem tiefen Temperaturen die Materie ähnlich wie gefrierendes Wasser einen Phasenübergang durchläuft. Dadurch können sich die Teilchen plötzlich ohne Reibung durch das Kristallgitter oder innerhalb der Flüssigkeit bewegen. Metalle verlieren ihren elektrischen Widerstand, flüssiges Helium schwebt über Oberflächen.

Nobelpreis für Physikl David J. Thouless, wurde 1934 in Bearsden in Schottland geboren. Studierte Physik an der University of Cambridge und schloss mit dem Bachelor ab. … © University of Washington Bilderstrecke 

Lange glaubten die Wissenschaftler, dass Supraleitung und Suprafluidität nur bei ausgedehnter Materie auftrete, nicht aber bei dünnen Schichten, in denen sich die Ladungsträger nur in zwei Raumrichtungen bewegen können. Der Grund dafür seien Wärmefluktuationen, die jegliche Ordnung der Elektronen und Atome sofort zerstören würden, sogar am absoluten Temperatur-Nullpunkt. Dass man sich hier gründlich geirrt hat, haben viele Experimente gezeigt.

Die Topologie weist den Weg

Schon Anfang der siebziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts wollten sich David Thouless und John Kosterlitz mit dem geltenden Paradigma nicht abfinden, als sie in Birmingham zusammentrafen. Sie gingen das Problem des Phasenübergangs in dünnen Schichten, die man auf tiefe Temperaturen kühlte, theoretisch an. Dabei nutzten sie topologische Modelle. Sie betrachteten die Eigenschaften eines Stoffs. Diese sollten sich nicht ändern, auch wenn man das Material stark verformt. Sie fanden heraus, dass in dünnen Schichten eine andere Art von Phasenübergang dominiert als jener, den man von Wasser her kennt. Dadurch konnte man erstmals erklären, wie und warum extrem dünne Materialschichten von einem Zustand in den anderen wechseln und welche Auswirkungen das auf die Eigenschaften hat.

Unerwartete Effekte im Magnetfeld

Die Supraleitung beschäftigte auch Duncan Haldane, der 1981 an die University of Southern California gewechselt war. In den achtziger Jahren arbeitete er mit David Thouless, der gerade in Yale und Seattle forschte, an einer topologischen Theorie, womit man Voraussagen treffen konnte, welche Materialien in die supraleitenden Phase übergehen und welche nicht.

Es war eine große Überraschung als 1983 Thouless zeigen konnte, dass alle bisherigen Überlegungen keine Gültigkeit haben, wenn eine dünne Materialprobe noch einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird. Er entwickelte eine physikalische Theorie für solche Systeme. Etwa um die gleiche Zeit präsentierte Haldane ähnliche Überlegungen. Er hatte anders als Thouless die Eigenschaften einer Kette magnetischer Atome studiert. Von da an beschäftigten sich immer mehr Forscher mit noch unbekannten exotischen Zustandsformen der Materie.

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Von experimenteller Seite erfuhr Thouless’ Theorie eine unerwartete Bestätigung, als 1983 der deutsche Physiker und spätere Nobelpreisträger Klaus von Klitzing den Quanten-Hall-Effekt entdeckte. Dabei steigt die elektrische Leitfähigkeit einer dünnen Schicht in einem Magnetfeld sprunghaft in Stufen an und nicht etwa kontinuierlich, wie man es früher erwartet hätte.

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