Physik-Nobelpreis Es gibt keine halben Löcher
Stockholm · Mit David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz werden in diesem Jahr drei britische Physiker ausgezeichnet. Sie untersuchten Materie in höchst seltsamen Zuständen. Ihre Arbeit könnte die Grundlage für die Lösung vieler Energieprobleme liefern.
Wenn man Wasser in eine Form oder in Förmchen gießt und ins Tiefkühlfach legt, wird daraus Eis. Aus kochendem Wasser steigt Dampf auf. Und vielleicht hat jemand in der Schule schon einmal einen Magneten stark erhitzt und festgestellt, dass daraus nur ein Stück Metall wird — ohne magnetische Eigenschaften.
Wenn etwas dermaßen seinen Zustand ändert, seine innere Ordnung wechselt, sprechen Physiker von einem Phasenübergang: von flüssig zu fest zu gasförmig oder von magnetisch zu nicht-magnetisch. Doch was wir mehr oder weniger fast jeden Tag erleben, ist in der Welt der Quantenphysik etwas komplizierter — und sorgt für eine Reihe seltsamer Phänomene.
Und die haben die drei britischen Physiker David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane und J. Michael Kosterlitz in den 1970er und 1980ern untersucht und erklärt.
Ihre Forschung wurde unter anderem durch den Quanten-Hall-Effekt angestoßen, für dessen Entdeckung der deutsche Physiker Klaus von Klitzing 1985 den Physik-Nobelpreis erhielt. Er stellte Anfang der 1980er fest, dass sich bei tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern die Spannung in Halbleitern nur noch in festen Stufen ändert, wenn Strom durch fließt. Eigentlich sollte die Spannung mit dem Strom stetig wachsen. In der Quantenwelt aber tut sie das nicht, sondern springt von einem Niveau zum nächsten.
Schon zuvor hatten David Thouless und Michael Kosterlitz sich mit einer Idee beschäftigt, die mit dem Quanten-Hall-Effekt neuen Auftrieb erhielt: Sie fanden auf der Suche nach einer Erklärung für einige Quantenphänomene eine Lösung in der Mathematik.
Und da insbesondere in der sogenannten Topologie — der Beschreibung von mathematischen Strukturen und wie sie sich verformen lassen. Das Besondere daran: Löcher in den Strukturen treten auf oder eben nicht auf. Es gibt keine halben Löcher, sondern nur ein Loch, zwei Löcher, drei Löcher. So wie die Spannung beim Quanten-Hall-Effekt nur ganze Sprünge macht.
Thouless, Haldane und Kosterlitz wendeten nun die Mathematik auf die Physik an und entwickelten so eine neue Vorstellung der Quantenwelt. Ihre Erklärung war, dass es Phasenübergänge gibt und die innere Ordnung eines Systems gestört wird. So weit ist das nichts Überraschendes.
Die Nobelpreisträger 2015
Aber diese Übergänge finden in der Quantenwelt auch nahe des absoluten Nullpunkts von knapp -273 Grad Celsius statt. Und selbst dann, wenn Atome nur in einer Ebene angeordnet sind. Nach der klassischen Vorstellung sollte so ein System geordnet bleiben. Phasenübergänge könnten also nicht stattfinden.
Die drei Physiker widersprachen und konnten es erklären: Auch am absoluten Nullpunkt gibt es in einer Ebene Wirbel. Damit das Gesamtsystem aber nicht gestört ist, tauchen diese Wirbel paarweise auf und sind eng verbunden. Ihre Effekte gleichen sich aus.
Erhöht man nun die Temperatur etwas, dann bricht dieses Paar indes auseinander: Jeder Wirbel wird quasi selbstständig und stört die Ordnung. So sehr, dass sich die Phase ändert. Und beschrieben wird das durch die Topologie: Die Struktur des Systems wird quasi verformt.
Und die Wirbel treten wie die Löcher in der Topologie nur ganz auf oder gar nicht. Es gibt keine halben Wirbel. Damit konnten die Physiker den Quanten-Hall-Effekt erklären und ihre Deutung auf immer mehr Systeme jenseits einer flachen Ebene ausweiten.
In der Arbeit der drei Physiker steckt möglicherweise die Lösung vieler Energieprobleme, weil sie eine Erklärung für die Supraleitung liefert: Bestimmte Materialien werden bei tiefen Temperaturen zu elektrischen Leitern — ohne jeden Widerstand. Strom könnte damit verlustfrei übertragen werden.
Auch Akkus wären möglich, die über lange Zeit eine große Menge Energie speichern — weil der Strom ohne Widerstand und damit ohne Verluste ständig im Akku quasi zirkulieren könnte. Vorausgesetzt, es gelingt Materialien zu finden, die bei Zimmertemperatur zu Supraleitern werden. Davon ist man noch entfernt. Der Rekord liegt derzeit bei -70 Grad Celsius.
Auch die neuen Quantencomputer, die sehr viel leistungsfähiger sein werden als bisherige Rechner, profitieren von der Arbeit der drei Physiker. Ebenso wie die Entwicklung der sogenannten Meta-Materialien, die unter anderem eine Tarnkappe möglich machen könnten — und Menschen oder Gegenstände vor den Augen verbergen und neue Sensoren möglich machen.
