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Nobelpreis für Physik: Seltsame Zustände in flacher Materie

Der Nobelpreis für Physik geht an David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für ihre theoretischen Untersuchungen von Phasenübergängen auf Oberflächen. Damit haben sie Quanteneffekte erklärt und vorausgesagt, die seither experimentell intensiv erforscht werden.
F. D. M. Haldane, D. J. Thouless und J. M. Kosterlitz, Physik-Nobelpreisträger 2016

"Gott erschuf die Festkörper, aber der Teufel die Ober­flächen." Dieser Ausspruch wird dem Physiker Wolf­gang Pauli zugeschrieben. Er soll verdeutlichen: Die großräumige Ordnung der Atome im Inneren eines Körpers lässt sich meist vergleichsweise gut verstehen – doch damit wissen wir noch kaum etwas darüber, wie der Gegenstand mit seiner Umgebung wechselwirkt. Denn die entschei­denden Effekte spielen sich gerade an den Grenzflächen ab, die sich oft unerwartet verhalten. Heute ist das Zitat des 1958 verstorbenen Pauli brisanter denn je. Die Nanotechno­logie ermöglicht zunehmend feinere Strukturen, und die Eigenschaften der Materialien werden zu einem immer entscheidenderen Teil durch das bestimmt, was auf und nicht in ihnen vorgeht.

Der Nobelpreis ehrt drei Physiker, die seit den 1970er Jahren die theoretischen Grundlagen für unser Verständnis davon gelegt haben, was sich auf den Oberflächen solcher Bauteile abspielt. David Thouless von der University of Washington in Seattle, Duncan Haldane von der Princeton University in New Jersey und Michael Kosterlitz von der Brown University in Providence haben sich mit sogenannten topologischen Phasenübergängen beschäftigt. Die Phäno­mene treten in sehr dünnen, quasi zweidimensionalen Lagen auf und funktionieren anders als Phasenübergänge, die wir von alltäglichen Festkörpern wie etwa Eis gewohnt sind.

Schmilzt gefrorenes Wasser, verändert sich die Symmetrie im Inneren – die Ordnung der Moleküle geht verloren. Anders bei den topologischen Phasenübergängen, die Kosterlitz und Thouless 1973 beschrieben haben: Hier treten zwar ebenfalls bei einer kritischen Temperatur neue Eigenschaften auf, aber diese Zustandsänderung lässt sich nicht durch eine gebro­chene Symmetrie charakterisieren. ...

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  • Quellen

Haldane, F.D.M.: Nonlinear Field Theory of Large-Spin Heisenberg Antiferromagnets: Semiclassically Quantized Solitons of the One-Dimensional Easy-Axis Néel State. In: Physical Review Letters 50, S. 1153 – 1156, 1983

Kosterlitz, J.M., Thouless, D.J.: Ordering, Metastability and Phase Transitions in Two-Dimensional Systems. In: Journal of Physics C: Solid State Physics 6, S. 1181 – 1203, 1973