Der diesjährige Physik Nobelpreis für Klaus von Klitzing zeichnet die Festkörperforschung aus. Preisgekrönt wird die Entdekkung, daß Elektronen in Halbleiterkristallen unter dem Einfluß magnetischer Felder überraschend einfache und klare Beweise für die Quantennatur der Welt liefern.

Wo immer im Mikrokosmos Zustandsänderungen beobachtet werden, stellt sich heraus, daß sich diese nicht kontinuierlich vollziehen, sondern in Sprüngen. So nimmt zum Beispiel die Energie einer Strahlung sprunghaft zu oder ab, um bestimmte winzige Energie "Quanten" Ähnlich sind viele andere Naturvorgänge - vielleicht alle? "gequantelt". In welcher Weise, das beschreiben eine Reihe von physikalischen Theorien, etwa die Quantenmechanik oder die Quantenelektrodynamik. Freilich bedürfen Theorien stets der Bestätigung ihrer Hypothesen durch Experimente. Darum ist jede Entdeckung eines bislang unbekannten Quantenphänomens von ausschlaggebender Bedeutung für die Physik. Just eine solche Entdeckung ist Klaus von Klitzing auf besonders elegante Art mit Hilfe der Halbleiterphysik gelunAls Instrument diente ihm eine MOS Struktur (Afetall Oxid Silizium), ein Silizium Chip, der mit einer Oxidschicht bedeckt ist; auf ihr liegt ein Metallkontakt. Mit elektrischen Spannungen am Metall läßt sich die Anzahl der Elektronen im Silizium Halbleiter gezielt verändern. Auf diesem Prinzip beruhen die heute in der Mikroelektronik so überragend wichtigen Feldeffekt Transistoren. Die Elektronen können sogar in eine Oberflächenschicht gezwängt werden, die so extrem dünn ist, daß für die Bewegung der Teilchen nur noch zwei Dimensionen zur Verfügung stehen. Diese räumliche Begrenzung unterwirft die Elektronen strengen Bedingungen der Quantentheorie. Sie bestimmen die Zahl der verschiedenen Energiezustände, die ein Elektron hier einnehmen darf.

Klaus von Klitzing hatte sich Ende der siebziger Jahre vorgenommen, solche Energiezustände genau zu untersuchen. Dies machte ein HeisenbergStipendium möglich, das dem soeben an der Universität Würzburg habilitierten Forscher die notwendige Unabhängigkeit einräumte. Für seine Experimente brauchte Klitzing neben geeigneten MOS Strukturen, die ihm Gerhard Dorda vom Siemens Forschungslabor und Michael Pepper vom englischen Cavendish Laboratory zur Verfügung gestellt hatten, starke Magnetfelder. Die gibt es in Grenoble, in den französischen Alpen, wo Wasserkraft und Kühlwasser reichlich zur Verfügung stehen - ideale Bedingungen, um starke Magneten zu betreiben. Der Wissenschaftsrat der Bundesrepublik hatte darum zu Beginn der siebziger Jahre das Stuttgarter Max Planck Institut für Festkörperforschung beauftragt, hier ein international konkurrenzfähiges Magnetlabor aufzubauen. Mit finanzieller Hilfe der Stiftung Volkswagenwerk entstand diese Forschungseinrichtung in einer gedeihlichen Kooperation mit der französischen Forschungsorganisation CNRS. Seither nutzen Gastforscher aus aller Welt die großen Magnetspulen des Labors.

Im Grenobler Institut schob Klaus von Klitzing seine MOS Kristalle in Magnetfelder von millionenfacher Stärke des Erdmagnetfeldes. So starke magnetische Kräfte engen die Freiheit der Elektronen - gemäß einer zweiten Quantenvorschrift noch weiter ein. Sie können sich jetzt nur noch auf streng definierten Kreisbahnen bewegen. Sinn der Verbannung von Elektronen in eine zweidimensionale Welt und der Festlegung auf bestimmte Kreisbahnen war es, die Versuchsanordnung von äußeren Einflüssen möglichst freizuhalten. Klitzing interessierte bei seinen Experimenten der "Hall Effekt". Dieses von dem Amerikaner Edwin Hall im Jahre 1879 entdeckte Phänomen gibt Auskunft über die Eigenschaften strömender Elektronen im festen Stoff. Ein Magnetfeld, senkrecht zur Stromrichtung angebracht, lenkt die ladungstragenden Teilchen zur Seite ab. Dadurch entsteht eine meßbare elektrische Spannung, deren Größe und Vorzeichen die Menge und Art der strömenden Elektrizitätsteilchen anzeigt. Besonders aufschlußreich sind Messungen bei tiefen Temperaturen, weil dann die Schwingungen der Kristallatome zur Ruhe kommen. In Grenoble waren darum Einrichtungen aufgebaut worden, die Temperaturen bis minus 272 Grad Celsius erzeugten, also nur knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Es zeigte sich, daß der Hall Effekt quantisiert ist. Damals - im Frühjahr 1980 - war der Würzburger Professor Gottfried Landwehr Direktor unseres Grenobler Magnetlabors. Als er uns Stuttgarter Physikern die ersten Ergebnisse seines Schülers Klaus von Klitzing vortrug, war die Aufregung groß. Dank der enormen Einschränkung der Freiheitsgrade für die Elektronen hängt der durch den Hall Effekt definierte elektrische Widerstand - Hall Widerstand genannt - nicht mehr von irgendwelchen äußeren Bedingungen ab, sondern ist nur noch durch elementare Naturkonstanten festgelegt.

In der Schule haben wir gelernt, daß die Maßeinheit des elektrischen Widerstands, das Ohm, definiert wird als der Widerstand, den ein Draht aus einem bestimmten Metall mit festgelegten Ausmaßen (Länge, Durchmesser) bei einer exakt eingestellten Temperatur einem elektrischen Strom entgegensetzt. Klitzings Daten aber zeigten unter allen möglichen Bedingungen, daß für eine Reihe von Kristallen stets Widerstände von präzis 25 812 8 Ohm oder ganzzahlige Bruchteile dieses Wertes (also zum Beispiel die Hälfte, ein Drittel oder ein Viertel) gemessen wurden. Solche Einschränkungen einer denkbaren unendlichen Vielfalt auf wenige, scharf begrenzte Werte mit simplen Gesetzmäßigkeiten heißen "Quantisierung". Die Größe "25 812 8 Ohm" ist von elementarer Einfachheit. Sie ist nämlich der Wert des von Max Planck gefundenen, für alle Quantenphänomene charakteristischen Planckschen Wirkungsquantums "h" geteilt durch "e 2", das Quadrat der elektronischen Elementarladung. Allein diese beiden fundamentalen Naturkonstanten regeln also den von Klitzing entdeckten "Quantenhalleffekt". Alle anderen Bedingungen sind unwesentlich. Weder die Abmessungen der Probe, noch die Temperatur, noch der Denutzte Werkstoff spielen dabei eine Rolle, nicht einmal die Stärke des Magnetfeldes. Selbstverständlich ist dieser tiefe Einblick in die Quantenerscheinungen nur mit sehr sauberen und ungestörten Halbleiter Kristallen möglich. Hier kam die technische Entwicklung der Mikroelektronik mit ihren so extrem sauberen Stoffen der Grundlagenforschung zur Hilfe. Besonders das Silizium erfüllte die Forderungen. Umgekehrt wird die Halbleitertechnik von den Erkenntnissen dieser Grundlagenforschung profitieren.

Die moderne Mikroelektronik ist das Resultat vielfältiger Forschung nach strenger, wissenschaftlicher Methodik; und jede Weiterentwicklung ist auch nur auf diesem Weg der theoretisch gut fundierten und in Experimenten sauber verifizierten physikalischen Wissenschaft erreichbar. Grundlegende Quantenphysik des festen Körpers und neue technische Anwendungen sind untrennbar aneinander gekoppelt; schon die früheren Nobelpreise für die Erfindung des Transistors und der Tunneldiode hatten dieses erfolgreiche Zusammenspiel aufgezeigt.