Es ist ein kleiner Schock. Nicht die Entdecker der Gravitationswellen, wie viele so sicher glaubten, bekommen dieses Jahr den Physiknobelpreis. Nein, es sind drei Quantenphysiker, die etwas erforscht haben, was mindestens ähnlich verrückt klingt wie das Einfangen eines 1,3 Milliarden Jahre alten Signals aus dem All.

Es geht um Donuts, Brezeln und Zimtschnecken

Statt in den Weiten des Universums erforschen die theoretischen Physiker David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz einen Mikrokosmos aus nur zwei Dimensionen, also eine Welt flach wie eine Zeichnung. Haldane beschäftigte sich sogar mit fadenartigen Strukturen, die so dünn sind, dass sie als eindimensional gelten können.

In dieser Welt regieren kleinste Objekte, kleiner als Atome, sogenannte Quanten. Erklären lässt sich, was dort passiert, mithilfe der Topologie – einem mit der Geometrie verwandten Teilgebiet der Mathematik. Topologen interessieren sich vor allem für die Eigenschaften eines Materials, die sich auch dann nicht ändern, wenn man es biegt, dehnt, quetscht oder staucht.

Um das zu veranschaulichen, knetete Thors Hans Hansson vom Nobelkomitee auf der Pressekonferenz in Stockholm eine Brezel, einen Donut und eine Zimtschnecke. "Für einen Topologen liegt der einzige Unterschied in diesen Dingen in der Anzahl ihrer Löcher", sagte der theoretische Physiker. Solche topologischen Zustände ändern sich nicht, egal wie stark man das Gebäck verformt. Will man eine Brezel in die Form eines Donuts bringen, muss man drastischere Maßnahmen ergreifen als darauf herumzudrücken. Man muss sie zum Beispiel zerreißen. Es braucht also höhere Energien, wenn man Zustände eines Stoffes ändern möchte, etwa Temperaturunterschiede.

Dass Stoffe sich je nach Temperatur umwandeln, kennen wir aus dem Alltag von Wasser, das bei etwa null Grad Celsius gefriert und je nach Luftdruck bei höheren Temperaturen verdampft. Im Bereich der Quanten gibt es Zustände jenseits von fest, flüssig oder gasförmig. Die frisch ernannten Nobelpreisträger haben solche Phasen, wie Physiker das nennen, entdeckt. Und sie haben beschrieben, wann genau und warum Stoffe im Reich der Quanten ihren topologischen Zustand verändern. Momente also – auch Phasenübergänge genannt –, in denen quasi die Zimtschnecke zum Donut oder der Donut zur Brezel wird.

Kälter wird's nicht

Besonders in extrem dünnen Schichten haben Stoffe auf einmal Eigenschaften, die ganz anders sind, als wir sie aus unserem Leben in 3-D kennen: Leitfähigkeit oder Magnetismus folgen dann anderen Gesetzen. Ihre außergewöhnlichen Eigenschaften zeigen sie aber erst, wenn man sie soweit herunterkühlt, dass sich kein normales Teilchen – ein Atom etwa – mehr bewegt. Dieser absolute Nullpunkt liegt, so besagen es die Gesetze der Physik, bei null Kelvin, als minus 273 Grad Celsius.

Die gesamte Berichterstattung zu den Nobelpreisen 2016 finden Sie auf dieser Seite.

In solchen Sphären verlieren Festkörper plötzlich ihren elektrischen Widerstand und werden zu Supraleitern. Flüssigkeiten, Helium etwa, kennen auf einmal keine inneren Reibung mehr und lassen sich quasi ewig quirlen, ohne dass Energie entweicht: Solche Superfluids braucht man in der Spektroskopie oder auch, um andere Bereiche der Teilchenphysik zu erforschen – im Beschleuniger des Kernforschungszentrums Cern zum Beispiel.

Entdeckt hatte solche herkömmlichen Supraleiter schon der Holländer Heike Kamerlingh Onnes. Bereits 1913 bekam er dafür einen Physiknobelpreis. Anfang der 1970er Jahre konnten Kosterlitz von der Brown-Universität in Rhode Island und Thouless von der Uni Washington dann mit ihrem Modell erklären, wie Stoffe zu topologischen Supraleitern oder Superfluids werden. Und sie erklärten, warum diese Effekte verschwinden, sobald es wärmer wird. Princeton-Physiker Haldane wandte Ähnliches auf extrem dünne Fadenstrukturen an.