Der Nobelpreis für Physik 2016 wurde an David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane und J. Michael Kosterlitz für „theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen der Materie“ verliehen. Bildnachweis: N. Elmehed. © Nobel Media 2016.

Schocker: Nobelpreis für Physik geht an Topologie in Materialien, nicht an Gravitationswellen!

Wenn Sie auf LIGO gewettet haben, haben Sie falsch gewettet. Genau wie alle anderen auch.

"Topologie ist Schicksal", sagte er und stellte die Schubladen auf. Ein Bein nach dem anderen. "
-Neal Stephenson

Heute vor einer Woche wurde der Nobelpreis für Physik 2016 ausgeschrieben: die Hälfte an David J. Thouless, ein Viertel an F. Duncan M. Haldane und J. Michael Kosterlitz für theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen der Materie. Dies war eine große Erschütterung, da alle erwarteten, dass der Nobelpreis an verschiedene Mitglieder der LIGO-Kollaboration gehen würde, die Anfang dieses Jahres die ersten entdeckten Gravitationswellen durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern ankündigten. In diesem Jahr ging das Nobel-Komitee auf die praktischere Seite der Wissenschaftler, die Pionierarbeit für die Fähigkeit geleistet haben, kontrollierte „Löcher“ oder Defekte in quantenmechanischen Zuständen von Materie zu erzeugen, die als Kondensate bekannt sind. Ihre Forschung hat zu Durchbrüchen in der Materialwissenschaft und der Physik der kondensierten Materie geführt und verspricht, die Elektronik zu revolutionieren. Es ist das 24. Jahr in Folge, in dem der Preis an mehrere Personen vergeben wurde, und das 53. Jahr in Folge, in dem Frauen vom Preis ausgeschlossen wurden.

Die Schwerkraft, die von Einstein gesteuert wird, und alles andere (starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen), das von der Quantenphysik gesteuert wird, sind die beiden unabhängigen Regeln, die bekanntermaßen alles in unserem Universum steuern. Bildnachweis: SLAC National Accelerator Laboratory.

Das Universum hat zwei Seiten: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitationskraft und die Entwicklung der Raumzeit bestimmt, und die Quantenmechanik, die die anderen drei fundamentalen Kräfte und alle anderen Wechselwirkungen, Phasen und Eigenschaften der Materie bestimmt. Während die gesamte Gemeinschaft der Physiker mit der ersten direkten Detektion von Gravitationswellen unzufrieden war, bestätigte eine langjährige Vorhersage von Einsteins Theorie Anfang dieses Jahres, dass es bemerkenswerte Entdeckungen, Durchbrüche und Anwendungen gab, in welchen neuen Zuständen Materie erzeugt werden kann - und welche kann für die Menschheit leisten - kontinuierlich auftreten. Während die meisten von uns an drei Phasen der Materie denken, feste, flüssige und gasförmige, tritt ein vierter Zustand auf, wenn Sie ein Gas zu stark erhitzen: ein Plasma. Umgekehrt gibt es für einige Materietypen Phasen, die in der Natur auftreten, wenn Sie ein Material zu stark abkühlen: ein Kondensat. Im Gegensatz zu allen anderen Zuständen der Materie weisen Kondensate einzigartige Eigenschaften auf, die in der Natur nirgendwo anders zu finden sind.

Während Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase die häufigsten Aggregatzustände sind, können bei extrem niedrigen Temperaturen Kondensate mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften entstehen. Bildnachweis: © Johan Jarnestad / Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften.

Die Quantenphysik war eine unglaubliche Revolution in unserer Sicht auf die Welt. Sie lehrte uns, dass:

  • Die Natur ist diskret und nicht kontinuierlich und besteht aus einzelnen fundamentalen Teilchen, die als Quanten bekannt sind.
  • Dass diesen Quanten einige verschiedene Eigenschaften innewohnen, die niemals verändert werden können: Spin, elektrische Ladung, Farbladung, Aroma usw.
  • Und dass, wenn Sie Verbundteilchen oder -systeme daraus herstellen, auch neue Quanteneigenschaften auftauchen: zum Beispiel der Bahndrehimpuls, das Isospin und physikalische Größen ungleich Null.

Aber eines der interessantesten Dinge ist, dass die Eigenschaften dieser Partikel und ihre Wechselwirkungen unglaublich unterschiedlich aussehen können, wenn Sie ihre Möglichkeiten auf zwei Dimensionen beschränken - eine flache Oberfläche - und nicht auf die üblichen drei.

Die Eigenschaften zweidimensionaler Systeme unter extremen Bedingungen sind heute ein unglaublich aktives und fruchtbares Forschungsgebiet. Bildnachweis: V.S. Pribiag et al., Nature Nanotechnology 10, 593–597 (2015), „Edge-Mode-Supraleitung in einem zweidimensionalen topologischen Isolator“.

Es wurde lange Zeit angenommen, dass Supraleitung und Superfluidität, zwei Niedertemperatureigenschaften bestimmter Materietypen mit entweder null Widerstand oder null Viskosität, ein vollständig dreidimensionales Material erfordern, um durchzuarbeiten. In den 1970er Jahren entdeckten Michael Kosterlitz und David Thouless, dass sie nicht nur in dünnen 2D-Schichten auftreten können, sondern auch den Phasenübergangsmechanismus, durch den die Supraleitung bei ausreichend hohen Temperaturen verschwindet. Mit weniger Freiheitsgraden und weniger Dimensionen, durch die Teilchen, Kräfte und Wechselwirkungen wandern können quantenmechanische Systeme tatsächlich leichter untersucht werden. In drei Dimensionen schwer zu lösende Gleichungen werden häufig in nur zwei Dimensionen einfacher. andere Gleichungen, die in drei Dimensionen nicht zu lösen sind, haben tatsächlich bekannte Lösungen in zwei Dimensionen.

Eine Feldkonfiguration von Spins, die einen topologischen Defekt veranschaulicht. Beachten Sie, dass keine kontinuierliche Änderung der Drehrichtungen dies in eine Konfiguration umwandeln kann, bei der alle Drehungen nach oben zeigen. Bildnachweis: Karin Everschor-Sitte und Matthias Sitte.

Viele Partikel, Quasiteilchen und Teilchensysteme verhalten sich bekanntermaßen analog zu „topologischen Defekten“, die entweder wie „Löcher“ (für einen 0-dimensionalen Defekt) oder „Strings“ (für einen 1-dimensionalen Defekt) durch 2D verlaufen oder 3D Raum. Durch Anwendung der Mathematik der Topologie auf diese Niedertemperatursysteme konnten neue topologische Phasen der Materie vorhergesagt werden.

Bei sehr niedrigen Temperaturen paaren sich topologische Defekte in zweidimensionalen Kondensationssystemen häufig bei niedrigen Temperaturen, ein Phänomen, das bei höheren Temperaturen nicht zu beobachten ist. Bildnachweis: © Johan Jarnestad / Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften.

Die Art des Übergangs von Niedertemperaturzuständen (bei denen sich Wirbelpaare bilden) zu Hochtemperaturzuständen (bei denen die Paare unabhängig werden) folgt den Kosterlitz-Thouless-Phasenübergangsregeln. Die Kombination der Quantenphysik mit der Topologie führt zu einer Reihe physikalisch interessanter Dinge, die in diskreten, ganzzahligen Schritten ablaufen. In diesen Schritten erfolgt die Leitfähigkeit eines dünnen, elektrisch leitfähigen Materials. Ketten kleiner Magnete verhalten sich topologisch. Die Phasenübergangsregeln gelten universell für alle Arten von Materialien in zwei Dimensionen. In den 1980er Jahren entdeckte Kosterlitz selbst die Leitfähigkeitsbeziehung, während Duncan Haldane die topologischen Eigenschaften kleiner Magnetketten entdeckte. Obwohl sich die Anwendungen jetzt auf andere Bereiche der Physik erstrecken - statistische Mechanik, Atomphysik und hoffentlich bald auch auf Elektronik und Quantencomputer - unterliegt die Physik, die diesem diskreten Verhalten von Materie in niedrigeren Dimensionen zugrunde liegt, denselben topologischen Regeln wie jedes mathematische System.

Die Topologie ist der Zweig der Mathematik, der sich für Eigenschaften interessiert, die sich schrittweise ändern, wie z. B. die Anzahl der Löcher in den obigen Objekten. Die Topologie war der Schlüssel zu den Entdeckungen der Nobelpreisträger und erklärt, warum sich die elektrische Leitfähigkeit in dünnen Schichten in ganzzahligen Schritten ändert. Bildnachweis: © Johan Jarnestad / Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften.

Diese neuen Eigenschaften zeigen sich möglicherweise nur bei sehr kalten Temperaturen und bei Vorhandensein sehr hoher Magnetfelder. Dies macht sie jedoch nicht weniger grundlegend für die Natur als die Eigenschaften, die wir herkömmlich beobachten. Der Quanten-Hall-Effekt, die Tatsache, dass "ganzzahlige" Quantenmagnete topologisch sind, während "halb ganzzahlige" nicht topologisch sind, und dass Sie den Charakter eines Quantenmagneten einfach durch Studium seiner Kanten bestimmen können, waren alles Fortschritte, die durch den diesjährigen Preis hervorgerufen wurden Trio. Neue und unerwartete Arten von Materie wurden entdeckt, indem auf deren Forschung aufgebaut wurde, einschließlich topologischer Eigenschaften, die sich auf vollständig 3D-Materialien erstrecken. Topologische Isolatoren, topologische Supraleiter und topologische Metalle werden heutzutage aktiv erforscht, mit dem Potenzial, Elektronik und Berechnung zu revolutionieren, wenn sie erfolgreich genutzt werden.

Alfred Nobel, der Erfinder des Dynamits und Inhaber von 355 Patenten, gründete 1895 seine Absicht, die Nobelpreisstiftung und die Regeln zu entwickeln, unter denen sie geregelt werden sollte. Nach seinem Tod im Jahr 1896 wird der Preis seit 1901 jährlich verliehen, mit den einzigen Ausnahmen, die bei der Besetzung Norwegens im Zweiten Weltkrieg auftraten. Bildnachweis: © Nobel Media AB 2016.

Alfred Nobel erklärte, als er den Nobelpreis entwickelte, dass er an die Entdeckung gehen sollte, die „für den größten Nutzen für die Menschheit“ verantwortlich ist. Die Wissenschaft hier ist nicht nur bewiesen, sie ist auf dem besten Weg, die Art und Weise zu verändern, wie wir als Menschen leben unser Alltag. Zwar gibt es mit Sicherheit sehr viele verdiente Teams, Einzelpersonen und Entdeckungen, doch der diesjährige Nobelpreis erinnert uns an die beiden Hauptgründe, warum wir so stark in die Grundlagenforschung investieren: Für das Wissen und den gesellschaftlichen Nutzen, den wir für die gesamte Menschheit erzielen können. Ein Blick zurück auf die überraschenden Erkenntnisse, die wir unter extremen Bedingungen über Materie gesammelt haben, zeigt uns, wie weit unser Wissen fortgeschritten ist, und ein Blick nach vorne auf die möglichen Anwendungen, die uns dazu inspirieren, die nächste Generation von Quantentechnologien zu entwickeln. Die unbestimmte Zukunft liegt bei uns.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!