Sonntag, 22. April 2018
05. Oktober 2016 um 12:10 Uhr

Physik-Nobelpreis: Für Beschreibung exotischer Materiezustände

Stockholm (dpa) Materie kann nicht nur gasförmig, flüssig oder fest sein. Es gibt auch exotischere Zustände. Entscheidende Theorien dazu haben drei Physiker entwickelt, die dafür nun den Nobelpreis erhalten.
Die Königlich-Schwedische Akademie in Stockhom präsentiert die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger: David Thouless (l-r), Duncan Haldane und Michael Kosterlitz. Foto: Anders Wiklund

Die Königlich-Schwedische Akademie in Stockhom präsentiert die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger: David Thouless (l-r), Duncan Haldane und Michael Kosterlitz. Foto: Anders Wiklund

Für die Beschreibung exotischer Materiezustände erhalten die gebürtigen Briten David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz den diesjährigen Nobelpreis für Physik.

«Die Geehrten haben eine Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann», hieß es zur Begründung. Praktische Relevanz könnten die Arbeiten für Quantencomputer und neue Materialien haben.

Die höchste Auszeichnung für Physiker ist mit umgerechnet etwa 830 000 Euro (8 Millionen Schwedischen Kronen) dotiert. Eine Hälfte erhält Thouless (82), die andere geht an Haldane (65) und den 1942 geborenen Kosterlitz. Alle drei Wissenschaftler forschen in den USA. «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.

Die drei bekanntesten Zustände von Materie sind fest, flüssig und gasförmig. Bei extrem niedrigen Temperaturen können weitere Zustände auftreten. Ein Feststoff kann zum Supraleiter werden, also Elektronen widerstandsfrei passieren lassen. Eine weitere Ausprägung sind Supraflüssigkeiten, in denen es keine Reibung mehr gibt. Zunächst fehlte es an Erklärungen für solche exotischen Zustände.

Thouless, Haldane und Kosterlitz konnten in den 1970er und 1980er 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. «Es war wie bei vielen Entdeckungen: Du stolperst über sie und musst einfach begreifen, dass du dort etwas sehr Interessantes gefunden hast», sagte Haldane.

Thouless und Kosterlitz fanden für die Übergänge in ultradünner, kalter Materie geltende Gesetzmäßigkeiten. Das schuf die Basis für ein neues Kapitel der Festkörperphysik. Haldane arbeitete zeitweise mit Thouless zusammen. Er übertrug die Ergebnisse seiner Kollegen auf Atomketten - also von der zweidimensionalen auf eine quasi eindimensionale Struktur. Auch dies schuf eine neue Sicht auf Vorgänge im atomaren Bereich. «Dank ihrer Pionierarbeit ist die Jagd auf neue und exotische Zustände von Materie eröffnet», teilte die Nobel-Jury mit.

Thouless konzentrierte sich bei seiner Arbeit auch auf den sogenannten Quanten-Hall-Effekt. Für dessen Entdeckung hatte der Deutsche Klaus von Klitzing 1985 den Physik-Nobelpreis bekommen.

Kosterlitz hatte schon nicht mehr damit gerechnet, noch mit dem Nobelpreis geehrt zu werden. Die zugrundeliegende Arbeit liege ja bereits lange zurück, sagte er dem schwedischen Radio. «Ich war zwar einige Male nominiert. Aber heute war ich dann mehr als nur etwas überrascht.»

Rolf-Dieter Heuer, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, sagte, es sei für ihn völlig überraschend, dass der Preis für Grundlagentheorie vergeben wurde, «die vielleicht irgendwann einmal angewendet wird». Die Theorien der drei Preisträger sind nicht einfach zu verstehen. Selbst den Nobel-Juroren fiel es schwer, sie zu erklären. Auf den Erkenntnissen ruhen aber große Hoffnungen.

«Ihre Arbeit, die ungewöhnliche Zustände von Materie unter die Lupe nimmt, könnte zu neuen Materialien führen, die neuartige Anwendungen in der Materialwissenschaft und der Elektronik möglich machen», erklärte Robert Brown, Geschäftsführer des Amerikanischen Instituts für Physik. «Es gibt die Hoffnung, dass man elektronische Zustände findet, die besonders robust gegen Störungen von außen sind», sagte Henning Riechert vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin.

Seit 1901 haben 200 Forscher den Physiknobelpreis erhalten, der US-Amerikaner John Bardeen sogar zweifach. Die erste Auszeichnung erhielt der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen für die Entdeckung der später nach ihm benannten Strahlen.

Der jüngste Preisträger war der damals 25-jährige Lawrence Bragg der den Preis 1915 zusammen mit seinem Vater erhielt. Der älteste war mit 88 Jahren der US-Forscher Raymond Davis, der unter anderem kosmische Neutrinos nachgewiesen. Der Preis ging nur an zwei Frauen: Marie Curie und zuletzt 1963 an die deutsch-amerikanerische Forscherin Maria Goeppert Mayer für Arbeiten zur Atomstruktur.

Am Montag war der Japaner Yoshinori Ohsumi (71) als diesjähriger Medizin-Nobelpreisträger gekürt worden. Er hatte das lebenswichtige Recycling-System in Körperzellen entschlüsselt. Die feierliche Überreichung der Auszeichnungen findet traditionsgemäß am 10. Dezember statt, dem Todestag des Preisstifters Alfred Nobel.

Im vergangenen Jahr hatten der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald die Physik-Auszeichnung für den Nachweis erhalten, dass Neutrinos eine Masse besitzen. Die winzigen neutralen Teilchen fliegen durch das All und durchdringen alles, auch Menschen und Mauern.


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