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Auf Oberflächen bilden sich vorhergesagte Wirbelpaare.
Auf Oberflächen bilden sich vorhergesagte Wirbelpaare. (Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Hoffnung auf Quantencomputer und neue Supraleiter

Einer der Ausgangspunkte für die ersten theoretischen Untersuchungen von Oberflächen war der Quanten-Hall-Effekt. Er tritt auf, wenn flaches Metallband bis knapp über den absoluten Nullpunkt abgekühlt und einem sehr starken Magnetfeld ausgesetzt wird. Unter diesen Bedingungen nimmt die Leitfähigkeit des Metallbandes nur schrittweise ganz bestimmte Werte über null an, etwa das Doppelte, Dreifache, Vierfache des kleinstmöglichen Wertes. So ein Verhalten kann nur zustande kommen, wenn einzelne Elektronen nacheinander für die Leitung von Strom frei werden.

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Dieser Wert ist dabei bis auf den milliardsten Teil exakt und dient heute zur Definition des elektrischen Widerstands. Die Genauigkeit ist dabei äußerst ungewöhnlich, weil kein Wert irgendeiner anderen beteiligten physikalischen Größe wie der Temperatur oder der Magnetfeldstärke so genau eingestellt werden kann. Bei der theoretischen Untersuchung der dafür nötigen Energie stießen die Forscher auf eine Lösung, die mathematisch sehr elegant ist. In den Gleichungen hoben sich die Stoffeigenschaften gegenseitig so auf, dass die nötige Energie nur noch von der Geometrie des Materials abhängt und deshalb immer mit so hoher Genauigkeit die gleichen Werte liefert.

Neue Eigenschaften wurden vorhergesagt

Die so gewonnenen mathematischen Lösungen wurden benutzt, um weitere Eigenschaften von Oberflächen vorherzusagen, die sich nicht nur auf elektrische Eigenschaften beschränken. Die Teilchen in superfluidem Helium folgen mathematisch ähnlichen Gesetzen, wie die Elektronen in Oberflächen von Leitern. Mit den Lösungen konnten nicht nur eine Reihe von physikalischen Phänomenen erklärt, sondern auch Vorhersagen getroffen werden.

Zu den Vorhersagen gehörte, dass sich bei niedrigen Temperaturen Wirbelpaare bilden werden, sowohl in Elektronen als auch in Oberflächen aus superfluidem Helium. Wirbelbildung galt zunächst als unmöglich, erst recht bei niedrigen Temperaturen, weil die Bildung zu viel Energie benötigt. Aber bald danach fanden Forscher heraus, dass sich bei niedrigen Temperaturen aneinander gebundene Paare entgegengesetzter Wirbel bilden können, die viel weniger Energie benötigen.

Beobachtet wurden sie indirekt, beispielsweise durch sprunghafte Dichteänderungen von superfluidem Helium. Denn bei höheren Temperaturen trennen sich die Wirbelpaare und nehmen dabei Energie auf, ohne dass die Temperatur steigt - wie in einem Phasenübergang. Wenn Wasser verdampft, bleibt die Temperatur des flüssigen Wassers zunächst auch konstant, während der Verdampfungsprozesss Energie aufnimmt. Anders als beim Wasser ändert der Phasenübergang der Oberflächenwirbel aber nichts an der Geometrie des zugrundeliegenden Stoffs, was eine physikalische Neuheit war.

Quanteneffekte bei hohen Temperaturen

Am meisten Aufsehen erregt aber die Tatsache, dass die quantenphysikalischen Eigenschaften der Oberflächen relativ robust gegenüber hohen Temperaturen oder Verunreinigungen im Material sind. Diese Eigenschaften können hilfreich beim Bau von Computern sein, die Quanteneffekte für Berechnungen ausnutzen sollen. Andere Forscher hoffen, damit Supraleiter entwickeln zu können, die bei noch höheren Temperaturen funktionieren als bisher.

Dabei ist nicht klar, ob sich alle diese Hoffnungen tatsächlich in die Praxis überführen lassen. Der Nobelpreis wurde für die Bestätigung einer Theorie vergeben, nicht für eine mögliche Anwendung.

 Nobelpreis: Ist ein Topologe anwesend?

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Frank... 09. Okt 2016

Das ist merkwürdig. Denn das verlinkte Video an sich existiert noch: https://www.youtube...

merodac 05. Okt 2016

Auch von mir ein Danke und Hut ab vor der Leistung, solche Zusammenhänge verständlich...



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