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Die höchste Auszeichnung für Physiker ist mit umgerechnet etwa 900’000 Franken (8 Millionen Schwedischen Kronen) dotiert. Eine Hälfte erhält David Thouless, die andere Duncan Haldane und Michael Kosterlitz. Die drei Forscher sind heute in den USA tätig. Sie werden für die Erforschung sogenannter topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen von Materie geehrt. Praktische Relevanz könnten die Arbeiten für Quantencomputer und neue Materialien haben.
«Die Geehrten haben eine Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann. Sie haben fortschrittliche mathematische Methoden benutzt, um ungewöhnliche Phasen oder Zustände von Materie zu untersuchen, beispielsweise Supraleiter, Superfluide oder dünne magnetische Schichten», hiess es von der Akademie. «Dank ihrer Pionierarbeit ist die Jagd auf neue und exotische Zustände von Materie eröffnet.»
«Ich bin ein bisschen britisch, oder phlegmatisch, bei solchen Dingen. Ich bin nicht ohnmächtig geworden oder so», sagte der frisch gekürte Haldane im Rahmen der Bekanntgabe über seine Reaktion.
Eigenschaften einer ‹flachen› Welt
Thouless von der University of Washington und Kosterlitz von der Brown University, studierten Phänomene in einer praktisch zweidimensionalen, also ‹flachen› Welt, wie die Akademie es ausdrückte. Haldane untersuchte Materie in Form so dünner Teilchenketten, dass sie als eindimensional gilt.
Die von den drei Forschern untersuchten Phänomene betreffen Phasenübergänge. Die drei bekanntesten Phasen sind fest, flüssig und gasförmig. So kann Wasser in Form von Eis zu flüssigem Wasser und von flüssigem Wasser zu Wasserdampf übergehen.
«Thouless, Kosterlitz und Haldane haben neue Phasen entdeckt, von denen man vorher nicht wusste, dass es sie gab», erklärt der Physiker Henrik Rønnow von der ETH Lausanne auf Anfrage der Nachrichtenagentur sda. «Wenn Wasser von der flüssigen in die gefrorene Phase übergeht, wird die Symmetrie der Teilchenanordnung zeitweise gebrochen. Die drei Preisträger haben entdeckt, dass es auch Phasenübergänge ohne dieser Brüche der Symmetrie gibt.»
Brötchen, Bagel, Brezel
Die Arbeit der Forscher beruht auf einem Teilbereich der Mathematik, der als Topologie bezeichnet wird. Topologie beschreibt Eigenschaften von Materie, die sich schrittweise ändern. An der Pressekonferenz der Akademie erklärte Nobelkomitee-Mitglied Thors Hans Hansson dies mit dem Beispiel eines Brötchens, eines Bagels und einer Brezel. Wichtig ist dabei, dass sie sich in der Anzahl Löcher unterscheiden.
Zwar kann man beispielsweise den Bagel zu einer Tasse umformen, deren Henkel ebenfalls ein Loch darstellt. Für den Übergang vom Bagel zur Brezel mit zwei Löchern braucht es hingegen einen topologischen – also schrittweisen – Phasenübergang. Solche topologischen Übergänge spielen insbesondere in Materie bei sehr kalten Temperaturen und in starken Magnetfeldern eine Rolle und können sich auf die Leitfähigkeit von Materialien auswirken.
So konnten die Forscher beispielsweise anhand von topologischen Phasenübergängen erklären, warum sich die elektrische Leitfähigkeit einer dünnen Materieschicht in einem starken Magnetfeld beim Abschwächen desselben zunächst verdoppelt, dann verdreifacht und vervierfacht – also sich schrittweise und nicht kontinuierlich ändert.
Horizont der Materiezustände erweitert
Haldane studierte die Eigenschaften von (eindimensionalen) Ketten magnetischer Teilchen in Materie. Er sagte voraus, dass solche Ketten fundamental unterschiedliche Eigenschaften besitzen, je nach Charakter dieser Teilchen. Unter Umständen können auch solche Ketten topologische Eigenschaften haben. Damit entdeckte Haldane eine völlig neue Art topologischer Materialien.
Aufbauend auf diesen Grundlagen entdeckten andere Forscher solche topologischen Phasenübergänge und Materiezustände auch in dreidimensionalen Materialien. Die Entdeckungen der drei Forscher haben somit den Horizont des Wissens über Materiezustände erweitert.
Für die neuen Phasen sagten Kosterlitz, Thouless und Haldane spezielle Korrelationen und Dynamiken voraus, die sich experimentell messen lassen mit einer Technik die unter anderem am Paul Scherrer Institut zum Einsatz kommt: der sogenannten Neutronen-Streuung.
Rege Forschung an Anwendungen
«Die Arbeiten aus den 1970er und 80er Jahren haben die Grundlage gelegt, auf der nun Forschende weltweit aufbauen, um Anwendungen für eine neue Generation von Elektronik, Supraleitern oder auch Quantenrechner zu entwickeln», so Rønnow. Supraleiter sind Materialien, die – bei sehr tiefen Temperaturen – Strom widerstandsfrei, also ohne Verluste leiten.
«Die rege Forschung, die die drei Preisträger ausgelöst haben, ist aus meiner Sicht der Grund, warum der Nobelpreis jetzt vergeben wird, obwohl die Arbeiten schon länger zurückliegen», so der EPFL-Physiker weiter.
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.
(sda dpa)