Sonnengleich, taghell, weiß – so wünscht sich der Mensch sein künstliches Licht. Längst hätten LED-Lämpchen die alten Energiefresser-Glühbirnen und Leuchtstoffröhren komplett verdrängt, wäre da nicht jahrzehntelang dieses wirklich blöde Problem gewesen: Die lichtaussendenden Dioden (light emitting diodes), erfunden schon Ende der 1950er in den USA, gab es in Rot und Grün. Wer weißes Licht mischen wollte, – und nur das imitiert die Sonne nun einmal richtig – dem fehlte Blau.

Weil drei Forscher aus Japan diese Lücke im Licht-Tuschkasten durch viel Geduld und Getüftel geschlossen haben, können sie sich jetzt als Nobelpreisträger feiern lassen. Aber ist es echt so einfach? Irgendetwas muss an diesen blauen LEDs besonders sein. Hätte das ehrwürdige Stockholmer Nobelkomitee sonst Shuji Nakamura und das Team aus Isamu Akasaki und Hiroshi Amano mit dem höchsten Preis geehrt, den ein Wissenschaftler im Leben erhalten kann?

Die Art, wie sie das Blaulicht erzeugten, ist so besonders schon mal nicht. Sie ist keine Revolution in der Geschichte der künstlichen Erleuchtung unseres Planeten. "Das Prinzip, nachdem man Licht für Leuchtdioden mithilfe von Halbleitern erzeugt, ist für alle Farben dasselbe, auch für Blau", bestätigt Vahid Sandoghdar im Gespräch mit ZEIT ONLINE. Der Physiker leitet die Nano-Optik-Abteilung am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. 

Kein neues Prinzip, aber eine gigantische Fleißarbeit

Das Schwierige sei gewesen, das richtige Halbleiter-Material für Blaulicht zu finden. Den Stoff also, der bei einer bestimmten Temperatur ausreichend Teilchen oder Energie von A nach B transportiert. Und diesen (die Nobelpreisträger nutzten Galliumnitrid) mussten sie dann über Jahre weiterentwickeln, ehe eine Diode erstmals blau leuchten konnte. "Der Nobelpreis wird in manchen Jahren für herausragende akademische Leistungen und in anderen für Erfindungen vergeben, die eine große Bedeutung in der praktischen Anwendung und für die Wirtschaft haben", sagte Sandoghdar. "Der diesjährige Physik-Nobelpreis zählt eher zur zweiten Sorte."

Verdient haben die drei Forscher die Auszeichnung allein dafür, dass sie die einzigen waren, die viele Jahre lang nicht aufgaben, woran sich Zahlreiche die Zähne ausbissen. Um ihre Leistung würdigen zu können, muss man verstehen, wie LEDs eigentlich funktionierten.

Leuchtende Materialien basieren grob gesagt auf dem Prinzip, dass Elektronen, die um ein Atom herumschwirren, bestimmte Energiezustände anstreben. Das machen sich auch Forscher und Entwickler in Halbleitern zunutze. Vorstellen kann man sich die wie zwei Bretter aus unterschiedlichem Holz, die man flach zusammengeklebt hat, in der Mitte eine Grenze. In der einen Holzart stecken Würmer (Elektronen), auf der anderen gibt es Löcher (Energiezustände, die Elektronen anziehen). Klar, dass die Würmer die Löcher stopfen wollen.

Legt man nun Strom an so einen Halbleiter an (etwa mit einer Batterie), drängen die Elektronen (die Würmer) über die Grenze in die Löcher. Dabei wird Energie frei. In Form von Licht zum Beispiel. "Die Farbe des Lichts hängt dabei von der abgegebenen Energie ab", erklärt Lichtforscher Sandoghdar. Und die ist von Material zu Material unterschiedlich.  

Das Geheimnis: fleißig kochen, waschen und bügeln

Es gibt in der Natur eine ganze Reihe von Halbleitern, die infrarotes, rotes oder grünes Licht aussenden. Stoffe mit blauem Ergebnis waren schwieriger zu bekommen. Doch selbst wenn man den Ausgangsstoff hat, reicht das noch nicht. "Zuerst muss man lernen, wie man die Atome des Materials extrem sauber und kontrolliert auf ein Substrat anbringt, um dort intakte und fehlerfreie Kristallschichten herzustellen", ein aufwendiger und langwieriger Prozess, erklärt Sandoghdar.

Für jedes neue Material, das man für Halbleiter verwenden will, müsse man die Parameter erst erforschen und die Technik ausarbeiten. "Hat man irgendwo Hubbel oder Dellen in der Schicht aus Atomen, funktioniert die Lichterzeugung nicht mehr effizient." Entsprechend lange köchelten Akasaki und Amano an ihren Halbleiterschichten herum, mussten sie immer wieder reinigen und weiter glätten. 1986 präsentierten sie zum ersten Mal Galliumnitrid in einer für Leuchtdioden geeigneten Qualität. 

Als Nächstes mussten sie ihr Material effizienter machen. Erst 1992 brannte das erste blaue LED-Lämpchen im Labor der Uni Nagoya. Zwei Jahre später erzeugte auch Shuji Nakamura sein erstes Dioden-Blaulicht, er hatte unabhängig von den anderen an demselben Halbleiter-Material geforscht. Die letzte Lücke im Lichtspektrum der Leuchtdioden war damit geschlossen. Der Weg war frei, um LED für Scheinwerfer oder Straßenlaternen zu verwenden.

In den folgenden Jahren verbesserten alle drei ihre Halbleiter für blaue LED, indem sie Atome anderer Elemente beimischten sowie mit Temperaturen und Beschichtungsverfahren experimentierten. In beiden Arbeitsgruppen entstanden Laser auf Basis sandkornkleiner Dioden, die deutlich mehr Informationen auf einen Datenträger schreiben können als Infrarot-Lichtkanonen. "Laser lassen sich nicht genauer fokussieren als auf eine halbe Wellenlänge", erklärt Physiker Sandoghdar. Je kleiner die Wellenlänge, desto dichter kann man packen. Und blaues Licht ist kurzwelliger als rotes oder gar infrarotes Licht.

Invasion der Mini-Lämpchen

Das Wichtigste an der Arbeit der Nobelpreisträger ist ihre unglaubliche Auswirkung auf die Welt. Heute steckt LED-Technologie in den Blitzlichtern von Smartphones, in Autoscheinwerfern und Computer-Bildschirmen, in jedem Baumarkt gibt es die billigen Dioden. Sogar Keime in Gewässern lassen sich dank blauer Leuchtdioden abtöten, auch in der Medizintechnik und Industrie werden LEDs eingesetzt.

Im Verhältnis zur Glühbirne und selbst zur Energiesparlampe haben die Dioden-Lämpchen den Vorteil, dass sie aus wenig Energie relativ viel sichtbares Licht gewinnen, anstatt das Meiste davon als Infrarotlicht und etwas Wärme abzugeben. Außerdem halten sie bis zu hundertmal länger als ihre drahtigen Vorgänger – und sie enthalten im Vergleich zu Energiesparlampen kein giftiges Quecksilber.

Selbst in Ländern, in denen Elektrizität knapp ist, funktionieren LED-Lampen. Ihnen reicht der schwache Strom aus kleinen Solaranlagen. All das war dem Nobelkomitee Revolution genug, um das Team aus den Japanern Akasaki und Amano von der Uni Nagoya mit der einen und ihren Mitstreiter Nakamura, inzwischen US-Bürger und Professor an der Uni von Kalifornien in Santa Barbara, mit der anderen Hälfte des Nobelpreises zu ehren.

"LEDs werden das Licht der Zukunft sein", sagte Nobelkomitee-Mitglied Per Delsing, der den Journalisten in Stockholm die diesjährige Entscheidung erklärte. Dabei geriet er ein wenig ins Träumen – von einem immerwährenden künstlichen Licht, das alle Energie, die es aufsaugt, auf der anderen Seite als Licht wieder ausspuckt. Das wäre dann wohl unumstritten einen nächsten Nobelpreis wert.