• IT-Karriere:
  • Services:

Nobelpreis: Ist ein Topologe anwesend?

Der Nobelpreis in Physik ist für die Entdeckung von Phasenübergängen in topologischen Materialien vergeben worden. Wir versuchen eine Erklärung - ohne Kaffeetassen und Brezeln.

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

Der Nobelpreis in Physik geht in diesem Jahr für "theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen von Materie" an die Briten David Thouless, John Kosterlitz und Duncan Haldanen. Dabei reichen diese theoretischen Entdeckungen bis in die 1970er Jahre zurück. Der Nobelpreis wurde für diese Arbeit aber erst jetzt vergeben, nachdem sich das theoretisch vorhergesagte Verhalten auch im Experiment bestätigt hat.

Inhalt:
  1. Nobelpreis: Ist ein Topologe anwesend?
  2. Hoffnung auf Quantencomputer und neue Supraleiter

Darunter befinden sich Quanteneffekte, die auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen noch stabil sind. Sie gelten deshalb als mögliche Grundlage für Bauteile von praxistauglichen Quantencomputern. Es ist ein Thema, mit dessen Erklärung sich auch das Komitee der königlich schwedischen Akademie der Wissenschaften sichtlich schwertat. Mit Pfannkuchen, Kaffeetassen, Donuts und Brezeln wurde im Vortrag versucht, dem Publikum das Thema Topologie näherzubringen.

Eine ganz ähnliche Herangehensweise wählte die populäre Darstellung des Themas in einem Dokument des Nobelpreiskomitees. Deutlich aufschlussreicher ist die fortgeschrittene Variante, wenn auch weit weniger leicht zu lesen.

Elektronen im Gitter

Eine der wesentlichen Entdeckungen der Preisträger ist die theoretische Beschreibung sogenannter topologischer Isolatoren. Dabei handelt es sich um kristalline Stoffe, die an ihrer Oberfläche Strom leiten können, obwohl das Material an sich ein elektrischer Isolator ist. Es können sich also nur auf der Oberfläche des Stoffes bewegliche Elektronen befinden.

Stellenmarkt
  1. DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH, Traunreut (Raum Rosenheim)
  2. Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR), Berlin

Elektronen sind in ihren Bewegungen in einem Körper sehr eingeschränkt. Sie können nicht als klassische Teilchen wie kleine Kügelchen behandelt werden. Sie müssen durch quantenphysikalische Gleichungen beschrieben werden. Die Parameter dieser Gleichungen geben vor, in welchen Zuständen die Elektronen dort existieren können. Also ob ein Elektron fest im Atomgitter gebunden ist, in welchen Orbitalen um die Atome es dort gebunden ist oder ob es möglicherweise zwischen den Atomen im Gitter frei beweglich ist.

Zu jedem möglichen Zustand in einem Atomgitter gibt es immer nur höchstens genau ein Elektron, das ihn auch einnimmt. Dabei werden die Zustände zuerst eingenommen, die am wenigsten Energie benötigen. Das sind immer zunächst die Zustände, in denen Elektronen fest an einzelne Atome gebunden sind. In Metallen gibt es dabei mehr Elektronen als fest gebundene Zustände. Deshalb gibt es immer freie Elektronen. In elektrischen Isolatoren gibt es dagegen mehr gebundene Zustände, als es Elektronen gibt. Es sind also alle Elektronen fest gebunden.

Freie Elektronen auf der Oberfläche

Elektronen können in Isolatoren nur zwischen den Gitteratomen beweglich werden, wenn sie von außen genug Energie bekommen, um in einen frei beweglichen Zustand zu kommen. Wenn die dafür nötige Energie sehr groß ist, ist der Stoff ein guter Isolator. Wenn die Energie relativ klein ist, ist der Stoff ein Halbleiter, in dem oft schon die Energie der Umgebungswärme reicht, um Elektronen beweglich zu machen.

Dabei hängen die Parameter der Gleichungen zunächst von den Eigenschaften des Stoffs ab. An der Oberfläche von topologischen Isolatoren ändern sich die Parameter der zugrundeliegenden Gleichungen so stark, dass dort freie Elektronen existieren können, auch wenn im Inneren überall gebundene Zustände vorherrschen. Bei der Lösung der Gleichungen zum Verhalten der Elektronen auf der Oberfläche war die Mathematik der Topologie tatsächlich unverzichtbar.

Bitte aktivieren Sie Javascript.
Oder nutzen Sie das Golem-pur-Angebot
und lesen Golem.de
  • ohne Werbung
  • mit ausgeschaltetem Javascript
  • mit RSS-Volltext-Feed
Hoffnung auf Quantencomputer und neue Supraleiter 
  1. 1
  2. 2
  3.  


Anzeige
Spiele-Angebote
  1. 53,99€
  2. 4,99€
  3. 4,99€

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...


Folgen Sie uns
       


Apples Airpods 2 und Samsungs Galaxy Buds im Test

Wir haben die neuen Airpods von Apple mit den Galaxy Buds von Samsung verglichen. Beim Klang schneiden die Airpods 2 wieder sehr gut ab. Es bleibt der Nachteil, dass Android-Nutzer die Airpods nur eingeschränkt nutzen können. Umgekehrt können iPhone-Nutzer die Galaxy Buds nur mit Beschränkungen verwenden. Die Galaxy Buds haben eine ungewöhnlich lange Akkulaufzeit.

Apples Airpods 2 und Samsungs Galaxy Buds im Test Video aufrufen
Amazon Echo Studio im Test: Homepod-Bezwinger begeistert auch als Fire-TV-Lautsprecher
Amazon Echo Studio im Test
Homepod-Bezwinger begeistert auch als Fire-TV-Lautsprecher

Mit dem Echo Studio bringt Amazon seinen teuersten Alexa-Lautsprecher auf den Markt. Dennoch ist er deutlich günstiger als Apples Homepod, liefert aber einen besseren Klang. Und das ist längst nicht alles.
Ein Test von Ingo Pakalski

  1. Amazons Heimkino-Funktion Echo-Lautsprecher drahtlos mit Fire-TV-Geräten verbinden
  2. Echo Flex Amazons preiswertester Alexa-Lautsprecher
  3. Amazons Alexa-Lautsprecher Echo Dot hat ein LED-Display - Echo soll besser klingen

Power-to-X: Sprit aus Ökostrom, Luft und Wasser
Power-to-X
Sprit aus Ökostrom, Luft und Wasser

Die Energiewende ist ohne synthetische Treibstoffe nicht zu schaffen. In Karlsruhe ist eine Anlage in Betrieb gegangen, die das mithilfe von teilweise völlig neuen Techniken schafft.
Ein Bericht von Wolfgang Kempkens

  1. The Ocean Cleanup Interceptor fischt Plastikmüll aus Flüssen
  2. The Ocean Cleanup Überarbeiteter Müllfänger sammelt Plastikteile im Pazifik

Nitrokey und Somu im Test: Zwei Fido-Sticks für alle Fälle
Nitrokey und Somu im Test
Zwei Fido-Sticks für alle Fälle

Sie sind winzig und groß, sorgen für mehr Sicherheit bei der Anmeldung per Webauthn und können gepatcht werden: Die in Kürze erscheinenden Fido-Sticks von Nitrokey und Solokeys machen so manches besser als die Konkurrenz von Google und Yubico. Golem.de konnte bereits vorab zwei Prototypen testen.
Ein Test von Moritz Tremmel

  1. iOS 13 iPhone bekommt Webauthn per NFC
  2. Webauthn unter Android ausprobiert Dropbox kann, was andere nicht können

    •  /