An den PSI-Grossforschungsanlagen denken Physiker die Nobelpreis-Theorien weiter

Der diesjährige Nobelpreis für Physik wird für theoretische Arbeiten zum Zustand von Materie vergeben. Der Preis geht an David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für ihre Untersuchungen topologischer Phasen und Phasenübergänge von Materie. Ihre Arbeiten fanden in den 1970er und 1980er Jahren statt. Praktische Relevanz könnten sie eines Tages für neuartige Materialien, für die Datenspeicherung und für Quantencomputer haben.

Die Geehrten haben eine Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann. Sie haben fortschrittliche mathematische Methoden benutzt, um ungewöhnliche Phasen oder Zustände von Materie zu untersuchen, beispielsweise Supraleiter, Superfluide oder dünne magnetische Schichten, heisst es in der Begründung der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften.

Die Akademie zitiert in ihrem Hintergrundbericht auch Experimente zur mittlerweile nach Duncan Haldane benannten Haldane-Phase und Haldane-Anregung, die Michel Kenzelmann durchgeführt hat. Kenzelmann ist heute Leiter des Labors für Wissenschaftliche Entwicklung und neue Materialien am Paul Scherrer Institut PSI. Die jetzt mit dem Nobelpreis geehrten Arbeiten sind rein theoretischer Natur und waren anfangs auch sehr umstritten, so Kenzelmann. Kaum jemand hätte damals gedacht, dass sich das auch in der Natur realisieren lässt. Doch mittlerweile ist das geglückt – unter anderem in Experimenten, die am PSI stattgefunden haben.

Die Forschung von Thouless, Haldane und Kosterlitz gehört in den Bereich der Quantenmaterialien. Dies ist ein zentrales Forschungsgebiet am Paul Scherrer Institut. Zur Untersuchung von neuartigen Quantenmaterialien braucht es Grossforschungsanlagen, wie wir sie am PSI haben. Vertiefte Einblicke werden in Zukunft möglich sein mit der neuen PSI-Anlage SwissFEL und der Weiterentwicklung der SINQ und der SLS, meint Kenzelmann.

Auch die Chemie der Quantenmaterialien ist wichtig, merkt Kenzelmann an. Man muss diese neuartigen Materialien erst einmal finden und dann in der gewünschten Form herstellen. Auch dafür haben wir am PSI das nötige Wissen und die Mittel.

Der wichtige Aspekt dieser neuen Materialien ist, dass sie neuartige Zustände haben, bei denen die Elektronen über sehr weite Längenskalen miteinander verschränkt sind. Sprich: Jedes Elektron weiss, was ein anderes Elektron ganz weit weg macht, so Kenzelmann.

Diese Verschränkung führt zu neuartigen Ordnungsformen in den Materialien und diese Ordnungsformen wiederum lassen sich womöglich eines Tages technologisch nutzen: Diese neuartigen, versteckten Ordnungsphänomene könnten im Bereich der Datenspeicherung genutzt werden, sagt Kenzelmann. Und auch für die Entwicklung möglicher Quantencomputer ist diese Forschung unerlässlich.

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann