Nobelpreis für Physik 2016

Der Nobelpreis für Physik 2016 geht zur Hälfte an David J. Thouless von der University of Washington und zur anderen Hälfte an F. Duncan M. Haldane von der Princeton University und J. Michael Kosterlitz von der Brown University „für die theoretische Entdeckung von topologischen Phasenübergängen und topologischen Phasen von Materie”.

Thouless, Haldane und Kosterlitz

Materie kann in verschiedenen Formen oder Phasen auftreten – Wasser etwa als Flüssigkeit oder Eis. Je nach Temperatur und Druck wechselt Wasser zwischen diesen Phasen und ändert dabei nicht nur seine physikalischen Eigenschaften, sondern auch sein Verhalten bezüglich Symmetrieoperationen: So bricht Eis etwa die kontinuierliche Rotations- und Translationssymmetrie des Raumes, flüssiges Wasser hingegen nicht.

Doch längst nicht alle Phasenübergänge lassen sich durch ihre Symmetriebrechung charakterisieren. Ein Beispiel ist der in den frühen 1980er-Jahren entdeckte Quanten-Hall-Effekt in einem zweidimensionalen Elektronengas. Bei tiefen Temperaturen und einem starken Magnetfeld wächst die senkrecht zu einem Strom erzeugte Spannung hier nicht stetig mit dem Magnetfeld an, sondern stufenweise. Jede Stufe stellt dabei eine eigene Phase dar. Diese und weitere exotische Phänomene, die sich in zwei oder sogar nur einer Dimension abspielen, haben Thouless, Haldane und Kosterlitz erforscht – und mithilfe von mathematischen Modellen erklärt.

Phasen von Materie

Dabei griffen die drei Nobelpreisträger auf das mathematische Konzept der Topologie zurück, mit dem sich Objekte klassifizieren lassen, die sich unter stetigen Verformungen nicht verändern. Einer Tasse und einem Donut könnte man etwa aufgrund des Lochs, durch das beide charakterisiert sind, die gleiche Topologie zuweisen. Denn Tasse und Donut ließen sich kontinuierlich ineinander verformen, nicht aber zu einer Kugel, denn dafür müsste das Loch geschlossen werden. Dieses Konzept übertrugen Thouless, Haldane und Kosterlitz unter anderem auf die Bandstruktur im zweidimensionalen Elektronengas und fanden so einen alternativen Zugang, um neuartige Phasen wie beim Quanten-Hall-Effekt zu beschreiben. Diese neue Klasse von Phasen verspricht auch praktische Anwendungen – etwa als Baustein für einen fehlertoleranten Quantencomputer.

Alljährlich am 10. Dezember verleiht die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm den Nobelpreis – unter anderem in der Kategorie Physik. Den ersten Nobelpreis für Physik erhielt Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1901 für die Entdeckung der nach ihm benannten Röntgenstrahlung. Bis zum Jahr 2015 wurden 109 Nobelpreise für Physik verliehen, wobei 47 Preise an nur einen Wissenschaftler gingen, 32 Preise von zwei sowie 30 von drei Preisträgern geteilt wurden.