Nur wenige Entdecker haben sich mit fremden Welten befasst als die drei neuesten Nobelpreisträger, die gerade den diesjährigen Nobelpreis für Physik gewonnen haben. Diese hervorragenden Physiker wurden für ihre Arbeit an einigen der exotischsten Zustände der Materie geehrt, die ihre fundamentalen Geheimnisse verdeutlicht und Türen für die heutige Ära der Erforschung und Entwicklung neuer Materialien wie topologischer Metalle, Isolatoren und Supraleiter öffnet.
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Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften vergab den Preis gemeinsam an David J. Thouless von der University of Washington und an F. Duncan M. Haldane von der Princeton University und an J. Michael Kosterlitz von der Brown University. “ für theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen der Materie. “Wenn das für Sie abstrakt klingt, sind Sie nicht allein: Die Leistungen der Gewinner waren so esoterisch, dass ein Ausschussmitglied versuchte, sie mit einer Vielzahl von Frühstücksbroten zu demonstrieren.
Thouless, Haldane und Kosterlitz arbeiten in einem surrealen Teil der physischen Welt, der als „Flachland“ bezeichnet werden könnte. Diese Welt befindet sich auf der Oberfläche von Materie oder in Schichten, die so dünn sind, dass sie im Wesentlichen zweidimensional sind. Tatsächlich konzentriert sich ein Teil von Haldanes Arbeit auf Fäden, die so dünn sind, dass sie im Grunde eindimensional sind. Hier nimmt die Materie einige ihrer seltsamsten Formen an.
In den 1970er und 1980er Jahren enthüllten die Wissenschaftler Geheimnisse der seltsamen Formen, die in diesem Bereich gefunden wurden, darunter Supraleiter, Superfluide und dünne Magnetfilme. Der Stockholmer Physiker Thors Hansson, Mitglied des Nobelkomitees für Physik, erklärte heute Morgen das elegante mathematische Konzept, das sie für die preisgekrönten Entdeckungen verwendeten, mit einem Zimtbrötchen, einem Bagel und einer Brezel.
Die Topologie ist ein mathematisches System, das sich auf Eigenschaften konzentriert, die sich nur in genau definierten Schritten ändern. In Hanssons Beispiel für Frühstücksnahrung ist wichtig, dass das Brötchen kein Loch hat, der Bagel ein Loch hat und die Brezel zwei Löcher hat. „Die Anzahl der Löcher würde der Topologe als topologische Invariante bezeichnen“, erklärte Hansson auf der Pressekonferenz. „Sie können kein halbes Loch haben oder zwei und zwei Drittel eines Lochs. Eine topologische Invariante kann nur ganzzahlige Zahlen haben. “
Es stellt sich heraus, dass viele Aspekte der exotischen Materie auch diesem Ein-Loch-Zwei-Loch-Konzept entsprechen.
1982 nutzte Thouless diese Idee, um den mysteriösen Quanten-Hall-Effekt der elektrischen Leitfähigkeit zu erklären. In einer dünnen Schicht bei sehr niedrigen Temperaturen und einem hohen Magnetfeld bildete die elektrische Leitfähigkeit Einheiten, die mit äußerster Präzision gemessen werden konnten: erst nichts, dann eine Einheit, dann zwei Einheiten. Thouless hat bewiesen, dass die Schritte dieses Effekts durch eine topologische Invariante erklärt werden können. Es funktionierte mit Vielfachen einer ganzen Zahl, ähnlich wie die unveränderliche Anzahl von Löchern im Beispiel für Frühstücksnahrung.
1988 brachte Duncan Haldane diese Forschungslinie auf eine neue Ebene und entdeckte, dass dünne Halbleiterschichten den Quanten-Hall-Effekt auch ohne Magnetfeld aufnehmen können.
Die Forschung der Preisträger ergab auch neue Phasen der Materie, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 ° C) sichtbar sind. 1983 entdeckte Haldane eine Reihe magnetischer Atome in einer Kette - die erste Art neuer topologischer Materie, die jemals entdeckt wurde. Dieses Kunststück startete ein kontinuierliches Rennen, um neue topologische Phasen der Materie zu entdecken, die in Schichten, Ketten und gewöhnlichen dreidimensionalen Materialien verborgen sind.
Diese Entdeckungen mögen heute als abstrakt oder exotisch gelten, aber sie könnten eines Tages den Weg für die Entdeckung unverzichtbarer, alltäglicher Materialien ebnen, sagt Hansson. "Was für uns jetzt exotisch ist, wird in 20 oder 30 Jahren vielleicht nicht mehr so exotisch sein", sagte er der Journalistin Joanna Rose kurz nach der Ankündigung. „Strom war zu Beginn sehr exotisch und nicht mehr so exotisch.“
Die Topologie hat unser traditionelles Verständnis darüber, wie Materie Zustände ändert, überarbeitet. Im Allgemeinen tritt eine Phasenänderung auf, wenn sich die Temperatur ändert, dh wenn Wasser gefriert. Aber bei extrem kalten Temperaturen weichen die bekannten Zustände der Materie - Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe - bizarren neuen Phasen und Verhaltensweisen. Elektrische Ströme können ohne Widerstand fließen, wodurch der Supraleiter ermöglicht wird. Neue Materialphasen wie Superfluids (für die der Russe Pyotr Kapitsa 1978 den Nobelpreis für Physik erhielt) können sich in Wirbeln drehen, die niemals langsamer werden.
In den 1970er Jahren entdeckten Thouless und Kosterlitz eine völlig neue Art und Weise, wie sich Materie in diesem seltsamen Gebiet von einem Zustand in einen anderen bewegen kann - ein topologischer Übergang, der von kleinen Wirbeln wie winzigen Tornados im flachen Material angetrieben wird. Bei niedrigen Temperaturen bilden die Wirbel Paare, die sich dann plötzlich voneinander trennen und sich selbstständig abspalten, wenn die Temperatur auf einen Übergangspunkt ansteigt.
Dieser als „KT-Übergang“ bezeichnete Übergang wurde zu einem revolutionären Werkzeug, mit dem Wissenschaftler kondensierte Materie, Atomphysik und statistische Mechanik studieren konnten.
Als Haldane von der Akademie angerufen wurde, zeigte er sich überrascht und erfreut über die Ehre. "Diese Arbeit ist lange her, aber erst jetzt gibt es eine Menge neuer Entdeckungen, die auf dieser ursprünglichen Arbeit basieren ... und jetzt geschehen", sagte er. Hansson schloss sich diesen Gedanken an und stellte fest, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt mit diesen Werkzeugen an praktischen Anwendungen in der Elektronik, neuen Materialien und sogar Bauteilen in einem neuen Quantencomputer arbeiten.
Vor allem aber, betonte Hansson, sollte der Preis außergewöhnliche Wissenschaft ehren. „Sie kombinierten wunderschöne Mathematik und tiefgreifende Einblicke in die Physik und erzielten unerwartete Ergebnisse. Dafür ist der Preis da “, fügte er hinzu. "Es ist wirklich schön und es ist tief."
