Stockholm/Berlin (dpa) - Die drei diesjährigen Physik-Nobelpreisträger haben eine Tür zu exotischen Materiezuständen geöffnet: Dabei haben sie Konzepte aus einem Teilgebiet der Mathematik, der Topologie, verwendet, um neuartige Materialien zu beschreiben.
Im Rahmen der Topologie untersucht man Eigenschaften, die sich nicht verändern, wenn man einen Körper verformt. Das Nobel-Komitee nannte als Beispiel einen Donut, der mathematisch zu einer Tasse mit Henkel umgeformt werden könne: Dabei bleibt ein Loch als grundlegende Eigenschaft erhalten, das als Griff der Tasse genutzt wird.
Michael Kosterlitz und David Thouless untersuchten Supraleitung in dünnen, einschichtigen Materialien. In Supraleitern kann Strom ohne Widerstand fließen. Die Forscher analysierten dabei die Rolle von - topologischen - Stromwirbeln in Supraleitern. Bei hohen Temperaturen schwimmen die Wirbel durcheinander und zerstören die Supraleitung.
Bei tiefen Temperaturen, so fanden die Forscher, bilden sich Paare von gegenläufigen Wirbeln, die den Stromtransport ohne Widerstand möglich machen. „Zuvor dachte man nicht, dass Supraleitung auch in zweidimensionalen Materialien möglich ist“, sagte Prof. Achim Rosch von der Universität Köln.
Thouless und Duncan Haldane konnten zeigen, dass topologische Eigenschaften in ganz unterschiedlichen Materialien eine Rolle spielen. Zum Beispiel bestimmten sie die Eigenschaften von Magneten, in denen Atome Ketten bilden, oder den Widerstand von Materialien bei hohen Magnetfeldern.
Der deutsche Physiker Klaus von Klitzing hatte in Experimenten entdeckt, dass Widerstand bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern feste, topologisch geschützte Werte annehmen kann. Dieses Phänomen kann genutzt werden, um Widerstände mit extrem hoher Präzision zu messen. Auch bei der weiteren Erforschung von Supraleitung oder beim Bau von zukünftigen Quantencomputern spielt die Topologie eine wichtige Rolle.