Wissenschaft

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.

AFP
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Dienstag, 04.10.2016   17:38 Uhr

Wenig Zeit? Am Textende gibt's eine Zusammenfassung.


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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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.
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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.

Medizin-Nobelpreisträger seit 1999

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2012
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2011
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2010
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2009
Elizabeth Blackburn , Carol Greider und Jack Szostak (alle USA) für die Erforschung der Zellalterung. Die Wissenschaftler entdeckten und charakterisierten das Enzym Telomerase, das für die Stabilität des menschlichen Erbguts wichtig ist.
2008
Harald zur Hausen (Deutschland) für die Entdeckung der Papillomaviren , die Gebärmutterhalskrebs auslösen, sowie die Franzosen Françoise Barré-Sinoussi und Luc Montagnier für die Entdeckung des Aids-Erregers HIV.
2007
Mario R. Capecchi , Oliver Smithies (beide USA) und Sir Martin J. Evans (Großbritannien) für eine genetische Technik, um Versuchsmäuse mit menschlichen Krankheiten zu schaffen.
2006
Die US-Forscher Andrew Z. Fire und Craig C. Mello für eine Technik, mit der sich Gene gezielt stumm schalten lassen.
2005
Barry J. Marshall und J. Robin Warren (beide Australien) für die Entdeckung des Magenkeims Helicobacter pylori und dessen Rolle bei der Entstehung von Magengeschwüren.
2004
Richard Axel und Linda Buck (beide USA) für die detailgenaue Enträtselung des Geruchssinns.
2003
Paul C. Lauterbur (USA) und Sir Peter Mansfield (Großbritannien) für ihre wesentlichen Beiträge zur Anwendung der Kernspintomografie in der Medizin als neuartiges und schonendes Diagnoseverfahren.
2002
Sydney Brenner (Großbritannien), H. Robert Horvitz (USA) und John E. Sulston (Großbritannien) für die Erforschung des programmierten Zelltods (Apoptose) als Grundlage zum Verständnis von Krebs, Aids und anderen Krankheiten.
2001
Leland H. Hartwell (USA), Sir Paul M. Nurse (Großbritannien) und R. Timothy Hunt (Großbritannien) für Erkenntnisse über die Zellteilung, die neue Wege in der Krebstherapie ermöglichen.
2000
Arvid Carlsson (Schweden), Paul Greengard (USA) und Eric Kandel (USA) für ihre Entdeckungen zur Signalübertragung im Nervensystem.
1999
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